}w!"#$%&'()+,-./012345<ya

Transkript

1 }w!"#$%&'()+,-./012345<ya MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY Problematika vysokého zatížení bezdrátových sítí standardu b/g DIPLOMOVÁ PRÁCE Petr Šlinz Brno, 2012

2 Prohlášení Prohlašuji, že tato diplomová práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Vedoucí práce: Mgr. David Rohleder ii

3 Poděkování Rád bych poděkoval svému vedoucímu práce Mgr. Davidu Rohlederovi za možnost pracovat na této práci, odborné vedení a jeho rady a připomínky k práci. Taktéž bych rád poděkoval panu Ing. Tomáši Dulíkovi za nasměrování do problematiky, a Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně za přístup do jejích laboratoří. Poděkování patří rovněž mé rodině za podporu a trpělivost během celého studia. iii

4 Shrnutí Tato práce se věnuje problematice bezdrátových sítí standardu Shrnuje historii a vývoj standardů rodiny včetně nejnovějšího přírůstku n. Popisuje základní principy přenosu dat zařízeními tohoto standardu. Při nasazení bezdrátových sítí mohou nastat kapacitní problémy, tato práce problémy identifikuje a navrhuje řešení. Pro kontrolu správnosti jsou provedeny simulace a měření v laboratoři. iv

5 Klíčová slova , bezdrátové sítě, vysokorychlostní nasazení, CCA, adjacent channel rejection, OP- NET, simulace v

6 Obsah 1 Úvod Bezdrátové sítě Standardy legacy (IEEE 1997) b (IEEE 1999) a (IEEE 1999) g (IEEE 2003) n Topologie sítí Ad hoc Infrastrukturní Fyzická vrstva SS (Spread Spectrum) DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Zpětná kompatibilita g Spojová vrstva Koordinační funkce Detekce nosné frekvence n Fyzická vrstva n Vícecestné šíření (Spatial Multiplexing Mode) MIMO (Multiple Input Multiple Output) Modulace a rozšířený kanál Spojová vrstva n Agregace rámců (Frame aggregation) Blokové potvrzování (block acknowledgement) Zpětná kompatibilita (mixed mode) Frekvenční koexistence zařízení standardu Odolnost vůči rušení Adjacent channel rejection Koexistence b/g Optimalizace bezdrátového přenosu ACK timeout Vypnutí zpětné kompatibility g only n only RTS/CTS vi

7 4.4 Odpojování podle síly signálu Retry limit HW retries Preambule mode Parametry agregace Úprava párovacích rychlostí Změna šířky pásma Simulace OPNET Project editor Prvky Definice aplikace Definice chování stanic Rozmístění stanic Podmínky simulace Výsledky Měření Testovaná zařízení Testovací prostředí Měření EVM Režim při měření Broadcaster Výsledky měření EVM Měření CCA Testovací podmínky Automatická volba kanálu Výsledky měření CCA Měřeni přijímací části Výsledky měření přijímací části Měření přenosových rychlostí Měřené hodnoty a scénáře Podmínky testu Výsledky měření rychlostí Závěr Literatura A Příloha vii

8 Kapitola 1 Úvod Potřeba přenosu dat se v informační společnosti stává zcela běžnou záležitostí. Pro přenos využíváme počítačových sítí, které se snaží vyhovět narůstajícím požadavkům. V mnoha případech je však zajištění přístupu k síti komplikováno fyzickými překážkami. At již jde o zavedení sítě v historických budovách, rozsáhlých areálech s malou hustotou uživatelů či jde jen o dočasné řešení. Častým požadavkem uživatelů také bývá mobilita. Svět sítí se na začátku 21. století rozdělil na drátové a bezdrátové. V oblasti telekomunikací již v 80. a 90. letech předznamenal tento trend nástup mobilních telefonů. Uživatelé připojení do drátové sítě mají pouze omezený okruh působnosti a jejich schopnost pohybu je dramaticky snížena. Jedním z řešení je nasazení bezdrátové sítě. Umožňují nám napojení na stávající infrastrukturu v místech, kam se konvenčními kabelovými prostředky bud nelze dostat, nebo je nerentabilní vybudování standardní strukturované kabeláže. Navíc při požadavku na mobilitu klientů a připojení specifických zařízení, např. ručních scannerů, umožňuje jinými prostředky nezajistitelnou službu. Hlavní dvě výhody tohoto typu sítí by se daly shrnout do slov mobilita a flexibilita. V roce 1997 byl ustaven standard pro počítačové bezdrátové sítě IEEE , který se postupem času stal nejúspěšnějším.[1] Postupně byl inovován až do dnešní podoby označované IEEE b/g/n. Zařízení tohoto standardu jsou dnes běžnou součástí všech notebooků a chytrých telefonů a na pokrytí signálem narazí člověk téměř kdekoli. Jedním z významných parametrů počítačových sítí je přenosová kapacita, odezva a jitter (časový neklid). U bezdrátových sítí je také důležitým údajem dosah a počet zařízení, které jsou schopny obsloužit. Při návrhu je také důležité zahrnout předpokládané použití. Shrnutím těchto parametrů a popisem standardů z rodiny se zabývá první část práce. Obsahuje teoretický popis, předpokládané hodnoty parametrů a jejich význam při nasazení. Důraz je kladen na výhody nového standardu n. Jako podklad pro předpokládané zatížení modelové situace vysokorychlostního nasazení a simulaci je provedena analýza dat o přenosech získaných od ISP (Internet Service Provider). Předpokládané hodnoty však ovlivňuje mnoho faktorů, např. rušení a koexistence sítí, a ty je potřeba obsáhnout a zohlednit při nasazení. Tyto vlivy jsou charakterizovány v další části a jsou z nich vybrány ty nejpodstatnější. Každý z těchto vlivů lze alespoň částečně eliminovat. V práci nastiňuji 3 nejdůležitější vlivy a jejich řešení. Zda jsou tato řešení vhodná, je ověřováno simulací a reálným testem. Simulace je provedena v prostředí programu OPNET, který umožňuje simulaci počítačových sítí před reálným nasazením. 1

9 1. ÚVOD Cílem této práce je navrhnout řešení problémů v zatížených bezdrátových sítích a ověřit jejich použitelnost v praxi. 2

10 Kapitola 2 Bezdrátové sítě Bezdrátová sít je typem počítačové sítě, ve které je spojení mezi uživateli sítě umožněno přenosem energie étherem. Přenos je prováděn elektromagneticky, v našem případě pomocí rádiových vln. Tak jako se klasické drátové sítě dělí dle svého rozsahu, je toto dělení analogické i v sítích bezdrátových. V této práci se rozsahem zabývám sítěmi LAN (Local Access Network), nasazených v rámci budovy, případně instituce. Omezený rozsah těchto sítí je dán útlumem prostředí a množstvím překážek. U bezdrátových síti nelze mluvit o přesném rozsahu pokrytí, sít není ostře ohraničena. Tento přesah mimo budovu je nutné zohlednit při zabezpečení sítě. 2.1 Standardy IEEE je skupina standardů pro realizaci bezdrátové sítě. V této práci jsou popisovány standardy b a g jako stávájící a velmi rozšířené řešení, dále a jako alternativa v pásmu 5 GHz a jako novinka n. Dále je popsán e v kapitole 4 jako jediný standard pro zajištění QoS (Quality of Service). V práci se zabývám pouze využitím v bezlicenčních frekvenčních pásmech 2,4 GHz a 5 GHz. Tato pásmo jsou pro stavbu bezdrátových sítí uvolněna téměř celosvětově.[6] Rádiová pásma pro vývoj, průmysl a lékařství jsou rádiová pásma mezinárodně vyhrazená pro jinou než rádiovou komunikaci. Příkladem aplikací v těchto pásmech jsou zařízení pro vytápění, mikrovlnné trouby a různá lékařská zařízení. Výkony těchto zařízení emitují elektromagnetické rušení do okolí, proto byla vyhrazena pásma, do kterých lze přebytečnou energii vyzářit. Proto komunikační zařízení pracující v těchto pásmech musí toto rušení tolerovat a nemají žádnou zákonnou ochranu proti interferencím.[1][30] legacy (IEEE 1997) Standard je původním řešením pro bezdrátové sítě v pásmu 2,4 GHz a IR (infračervené záření, dále v této práci neuvažováno). Přístupovou metodou byla zvolena CSMA/CA a součástí standardu je definice celé fyzické vrstvy (PHY). Umožňoval pouze 2 párovací rychlosti (rate), a to 1 Mbit a 2 Mbit. Ve využití elektromagnetického spektra umožňoval výrobci volbu mezi FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) a DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) [1][8]. Tato možnost volby zapříčinila nekompatibilitu mezi jednotlivými zařízeními téhož standardu. Pro přenos je využíván kanál šířky 22 MHz. 3

11 2.1. STANDARDY b (IEEE 1999) Pro vylepšení přenosových rychlostí a lepší kompatibilitu zařízení byl v roce 1999 ustaven b. Umožňuje vyšší přenosové rychlosti - přibyly párovací rychlosti 5,5 Mbit a 11 Mbit, jako přístup ke spektru bylo napevno ustaveno DSSS. Modulační schéma je použito CCK (Complementary Code Keying), které umožnilo nárůst přenosové rychlosti b slaví komerční úspěch pod značkou Wi-Fi, která je později přejata i pro další rozšíření Použitým pásmem zůstává 2,4 GHz, nemění se ani šířka kanálu. Výrobci sdruženi kolem Texas Instruments vydávají b+, který umožňuje párovací rychlost 22 Mbit. Tato zařízení jsou kompatibilní s b, plné přenosové rychlosti však dosahují pouze při komunikaci se zařízením tohoto typu. Nelze mluvit o standardu, protože IEEE toto rozšíření nepřijala do rodiny [9] a (IEEE 1999) Kvůli velmi intenzivnímu využití pásma 2,4 GHz zařízeními nejen pro přenos dat (viz. kapitola 5), byl uveden v roce 1999 standard a. Fyzická vrstva (PHY) zůstala zachována, změnila se však metoda přístupu ke spektru na OFDM (orthogonal frequency division multiplexing). Ta rozděluje kanál na 52 podkanálů, ve kterých jsou přenášeny rámce. Tato změna s použitím vyšších modulačních schémat QAM a nižšího počtu redundantně přenášených dat umožnila jako maximální párovací rychlost zvolit 54 Mbit. Ke zvýšení reálné přenosové kapacity došlo také vypuštěním zpětné kompatibility se standardy b a legacy, a to hlavně z důvodu využití jiného frekvenčního pásma. V pásmu 5 GHz je celosvětově povoleno 12/13 nepřekrývajících se kanálů, šířka kanálu je zmenšena na 20 MHz. [13] V Evropě je povolena úprava h pro vnější použití, která však kvůli svým specifickým nárokům nebyla implemetována v žádném z běžně dostupných zařízení na trhu (bráno Cisco, Ubiquity, Mikrotik, Ovislink 2011) a dnes je i pro vnější podmínky využíváno zařízení a s omezeními proti rušení meteorologických radarů g (IEEE 2003) Jedná se o vylepšený standard b. Vznikl v roce 2003 a pracuje na stejné frekvenci (2,4 GHz) jako b, kanálování zůstalo zachováno. Nejpodstatnějším rozdílem je použití modulačního schématu s rozprostřeným spektrem OFDM (Orthogonal Frequency Fivision Multiplexing). Kvůli zachování kompatibility se standardem b jsou použity i mechanismy CCK a režim kompatibility. Díky výše uvedenému modulačnímu schématu dosahuje rychlosti 54 Mbps na úrovni vrstvy PHY n Organizace IEEE v lednu 2004 vytvořila novou skupinu TGn za účelem vyvinout novou úpravu standardu s vyšší přenosovou kapacitou. Hlavním cílem byla zvýšená 4

12 2.2. TOPOLOGIE SÍTÍ rychlost přenosu až 540 Mbit, dalším z cílů bylo prodloužení dosahu pomocí zvýšení zisku zpracování (processing gain). Při vývoji n vznikly 2 konkurenční návrhy a to Tgn Sync, zastoupené společnostmi Intel a Philips, a WwiSE zastupující ostatní výrobce s firmou Broadcom v čele. Oba tábory poslaly své návrhy ke standardizaci do IEEE koncem roku Rozhodnutí pro jeden z nich a následné dokončení procesu bylo očekáváno v druhé polovině roku [20] Touto dobou již byla na trhu poptávka po zařízeních s vyšší kapacitou a výrobci potřebovali jistotu kompatibility s novým standardem. V rámci urychlení procesu bylo založeno bezdrátové konsorcium EWC (Enhanced Wireless Consortium), které prosazovalo vzájemnou kompatibilitu zařízení.[1] Aby se předešlo znejistění trhu, bylo zvoleno vícestupňové zavádění nového standardu a přijat tzv. Draft 1.0 prestandard. Zařízení splňující tuto normu měla zaručeno, že budou schopna komunikace se stanicemi výsledné normy. Do dokončení stadardizace byla vydána v roce 2007 ještě norma Draft 2.0. K pevnému ustavení došlo Norma zavádí nové rozšíření při přenosu a to technologii MIMO (Multiple Input Multiple Output), která umožňuje navýšení rychlosti pomocí fázového posunu vysílání. Odrazů, které předchozím standardům působilo problémy, je využito ke zvýšení přenosové rychlosti.[1] 2.2 Topologie sítí Při návrhu bezdrátových sítí se setkáváme s různými požadavky na zapojení sítě, jsme často omezováni prostorovými podmínkami a požadavky zadavatele. V jsou k dispozici 2 základní režimy pro vybudování sítě: ad hoc a infrastrukturní. Ad hoc sítě přinášejí jednoduchost v podobě sítě bez pevně stanoveného centrálního řídícího prvku, infrastrukturní pak poskytuje pevnou hierarchii díky rozdělení zařízení na přístupové body sítě (access pointy) a klienty (station) Ad hoc Tento typ bezdrátové sítě spočívá v propojení klientů p2p (peer-to-peer), všechny klientské stanice jsou si rovny. Ke vzájemné komunikaci není třeba přístupový bod, stanice komunikují přímo, důležitou a nutnou podmínkou však je, aby všechny stanice v jedné ad hoc sítí byly v rádiovém dosahu. Roli hlavního počítače hraje první spuštěný klient, který vytvoří imaginární přístupový bod a má tudíž na starosti komunikaci ostatních klientů. Ostatní stanice sice komunikují navzájem bez hlavního klienta, ovšem v případě jeho odstavení či vypnutí se sít rozpadne a role imaginárního přístupového bodu se ujímá další stanice. Tento způsob propojení se využívá jen zřídka, avšak výhodou této sítě je rychlé a jednoduché sestavení (např. vytvoření sítě pro rychlý přenos dokumentů mezi účastníky konference), nevýhodou je s rostoucím počtem připojených stanic klesající propustnost kvůli kolizím. Ve standardu n již není tento režim zahrnut, někteří výrobci (Atheros) jej však přesto stále podporují.[1] 5

13 Infrastrukturní Druhým a nejčastěji využívaným typem topologie je infrastrukturní režim. Přístupový bod (Access point) tvoří základovou stanici, která vysílá BSSID a veškerá komunikace je jím řízena. V praxi tvoří most mezi bezdrátovými stanicemi a metalickým vedením, komunikace stanic mezi sebou prochází pouze přes přístupový bod. Infrastrukturní režim umožňuje vysokou škálovatelnost řešení, připojení stanic do rozlehlých sítí apod. [1] Standard upravuje dvě vrstvy modelu ISO OSI, a to vrstvu linkovou (spojovou) a fyzickou. Použití tohoto schématu je výhodné vzhledem k zachování stejných protokolů na vyšších vrstvách, např. http, ftp atd. V praxi se tyto vrstvy často označují jako L1 a L2. Obrázek 2.1: Vrstvová struktura [1] Fyzická vrstva Nejníže položená je fyzická vrstva, která realizuje samotné vysílání a příjem dat bezdrátovým prostředím. Je definováno několik přenosových metod dle standardu Seznam přenosových metod s dosažitelnými rychlostmi pro běžný kanál šířky 22 MHz (20 MHz pro pásmo 5 GHz a modulace OFDM) je v tabulce na obrázku 2.2. [1][2] Ve všech standardech je fyzická vrstva rozdělena do dvou podvrstev PLCP a PMD. PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) v této podvrstvě se k datovým rámcům podvrstvy MAC (Medium Access Control) přikládají informace o použitém přenosovém mechanismu a modulaci. Tato podvrstva zajišt uje datovým rámcům nezávislost na použitém médiu. Dále je obsažena funkce CCA (Clear Channel Assessment), která poskytuje odezvu pro MAC podvrstvu o připravenosti přenosového média. [1] PMD (Physical Medium Dependent) tato podvrstva už je přímo navázána na médium a zajišt uje přenos mezi jednotlivými vysílači a přijímači. Z PLCP jsou data v závislosti na použitém přenosovém mechanismu ve vysílači vysílána do bezdrátového prostředí, kde jsou na straně přijímače pomocí PMD zachycena a předávána podvrstvě PLCP k dalšímu zpracování. [1] 6

14 Obrázek 2.2: Přenosové rychlosti standardů při 20 MHz kanále SS (Spread Spectrum) Komunikací s rozprostřeným spektrem se rozumí vysílání signálu s mnohem větší šířkou frekvenčního pásma, než je minimální šířka pásma potřebná k přenesení požadované informace. Rozdíl mezi úzkopásmovým rádiovým přenosem a rádiovým přenosem pomocí rozprostřeného spektra je v rozložení vysílací energie. U úzkopásmového přenosu je největší část vysílací energie soustředěna kolem své střední frekvence, zatímco u přenosu rozprostřeným spektrem je stejně velká vysílací energie rozložena na mnohem širším frekvenčním pásmu. To zajišt uje nižší dosah nežádoucího překryvu a nižší požadavky na kvalitu vysílacích zařízení (např. použití všesměrových a jednoduchých antén v zařízeních). V tomto případě pak nemluvíme pouze o svorkovém výkonu vysílače, ale také o hustotě vyzářeného výkonu na MHz pásma. Tyto výkony jsou pak definovány v FCC, VO-R či jiných normách povolujících provoz zařízení. Tato problematika je řešena v kapitole 3. Informace vysílaná technikou rozprostřeného spektra se stává nedetekovatelnou úzkopásmovými přijímacími technikami, protože užitečná informace je pod hranicí šumu, a úzkopásmové přijímače nedokáží slabý signál zpracovat. V praxi to znamená, že tyto systémy jsou mnohem odolnější proti interferencím generovaných jinými vysílači ve stejném frekvenčním pásmu. Neznamená to však, že by k interferencím nedocházelo, pouze je díky redundanci jejich vliv na přenos nižší. Při interferenci nedochází k výpadku celého přenosu jako u úzkopásmového přenosu, ale pouze k porušení části informace. Kmitočtové pásmo není však efektivně využito, plýtvání je vyváženo odolnějším přenosem. Systém pracující s rozprostřeným spektrem musí splňovat podmínku, že vysílací šířka pásma musí být nejméně desetkrát větší, než je šířka pásma přenášené informace. Přenášená informace je pomocí matematické transformace zpracována v části modulu nazývané rozmetač (spreader). Pro přenosy v se tato metoda nevyužívá, ale je základem pro DSSS. [1][12] 7

15 Obrázek 2.3: Kódování DSSS v rozmetači [14] DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Přímá sekvence DSSS spočívá v tom, že jednotlivé bity jsou přenášeny pomocí chipů. Chipem rozumíme bitovou pseudonáhodnou sekvenci používanou rozmetačem. V jednom chipu lze přenést 1, 2, 4 nebo 8 bitů podle zvolené rychlosti přenosu. Chipy samotné nepřenáší nutně jen uživatelská data, ale i data servisní a protokol zabezpečující. Chipy jsou generovány mnohem rychleji než data a rozmetač je potřebuje pro neustálé rozprostírání informace do spektra (majáky apod.). Sekvence bitů je vysílána jako celek. Přenosový kód tzv. Barker s word má délku 11 bitů, a kódy pro reprezentaci 1 a 0 jsou vzájemně inverzní. Tento fakt zaručuje přímé sekvenci rozprostřeného spektra větší odolnost vůči rušení. Použití odlišných sekvenčních kódů umožňuje umístění více systémů do jednoho místa. Pro určení přenosové rychlosti je důležitým údajem poměr mezi kódovanými daty a množstvím chipů nutných k tomuto přenosu, tzv. spreading ratio. Dále nastavení tohoto poměru ovlivňuje zisk ve zpracování, který vylepšuje charakteristiky přenosu redundancí.[1] Jinou technikou je například použití FEC (Forward Error Correction). Tento mechanismus se používá u standardů b a a/g u něj pro jednotlivé podnosné frekvence viz níže. [1][8][12] FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Metoda přeskakování FHSS (Frequency hopping spread spectrum) je metoda přenášení rádiových signálů, při které dochází k přepínání nosného kmitočtu mezi mnoha kanály za použití pseudonáhodné sekvence známé přijímači i vysílači. Jejím cílem je současná komunikace více zařízení na stejném stanovišti. Existují dvě varianty přeskoků frekvencí. Rychlé přeskoky FFH (Fast Hopping ), u kterých dochází k přeskokům i v průběhu přenosu jednoho bitu, a pomalé přeskoky SFH (Slow Hopping), při kterých dojde ke změně frekvence až po přenosu několika bitů. Ve standardu 8

16 je využíván pouze SFH. [2] Vysílaný signál je přenášen na určité frekvenci o šířce 1 MHz po dobu přibližně ms (přeskoky se realizují minimálně 2,5 krát za sekundu); tuto dobu označujeme výrazem dwell time. Pro dobu přeskoku existuje výraz hop time a její přibližná hodnota je µs. Přeskoky, tzv. hops rozumíme přeladění na jiný kanál. Jednotlivých kanálů může být až 79. Při přeskoku však musí být vzdálenost nosných frekvencí kanálů větší než 6 MHz. Vysoké spolehlivosti je dosaženo díky faktu, že nepotvrzené, chybně přenesené rámce jsou přenášeny s jinou nosnou frekvencí v dalším přeskoku. Tato metoda dovoluje umístění více systémů v jednom místě díky použití různých sekvencí v každém systému, teoreticky 26, prakticky 15. [1][6] Systém FHSS je typickým příkladem úzkopásmového vysílání s vysokou selektivitou, systém si nepamatuje zarušené kanály [1], a to může velmi snadno snižovat jeho propustnost. Díky přeskakování je připojení nového účastníka k přístupovému bodu problematické, musí existovat logika pro vysílání majáků (beacon) a řešení zarušení těchto potkávacích bodů. Nevýhodou FHSS oproti využití pevného kanálu s technikou SS je menší propustnost, protože je třeba určitý čas na přeskok a synchronizaci na jinou frekvenci.[1][12] Obrázek 2.4: Přeskakování frekvence v závislosti na čase při použití metody FHSS [14] OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Technika OFDM pracuje rovněž s rozprostřeným spektrem, jak tomu bylo u předešlých systémů, ale vysílací kanál je rozdělen do mnoha subkanálů. Kódovací mechanismus OFDM je využit u standardů g a a. Základem této techniky je rozložení frekvenčního spektra na menší části. Přenášená data jsou průběžně rozkládána do subkanálů a signál je přenášen na více nezávislých frekvencích. Tento fakt zvyšuje odolnost vůči interferencím. Použitých nosných kmitočtů mohou být stovky i tisíce dle šířky zabraného pásma. V a/g je využito 52 subkanálů, tyto kanály jsou dále modulovány modulacemi BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM.[13] Tento mechanismus je téměř imunní vůči chybám, které jsou způsobeny vícecestným šířením a různými odrazy. [1][3] 9

17 Obrázek 2.5: Signál modulovaný OFDM zde n v pásmu 5 GHz Zpětná kompatibilita g Zavedením jiné modulace pro nový standard vznikl problém ochrany stávajících instalací. Zařízení b nezvládnou demodulovat rámce g. Pro možnost připojení byl zaveden smíšený mód, samotný smíšený režim však nezajistí rovné postavení stanic b v soutěžení o vysílací čas. Při zavedení ochrany je využito vysílání majáku pomocí DSSS a RTS/CTS algoritmu z vyšší vrstvy. V hlavičce je odvysílán čas, po který bude médium obsazeno a o tuto hodnotu si stanice upraví svůj NAV vektor (viz spojová vrstva). Tím je zabráněno kolizím ze strany zařízení b. Aby se mohla stanice b dostat k vysílání, je zde druhá nepovinná část ochrany. Nazývá se G-protection, využívá RTS/CTS algoritmu. Před svým vysíláním zašle b zařízení CTS rámec modulací DSSS (po čas uvedený v rámci ostatní stanice nevysílají), čímž si zajistí čas pro své vysílání Spojová vrstva Zatímco fyzická vrstva řešila přímý přístup ke spektru a modulaci vysílaných dat do přenosových obrazců, spojová vrstva zajišt uje přístup k médiu (Medium Access Control) a 10

18 obsluhu požadavků stanic na vysílání. Používá metodu mnohonásobného přístupu ke sdílenému médiu CSMA/CA. V odborných textech je tato metoda také označována jako DCF (Distributed Coordination Function), zajišt uje přístup k médiu v režimu best-effort. Je to základní metoda, která je založena na principu detekce nosné frekvence a předcházení kolizím, na rozdíl od CSMA/CD, která kolize detekuje. Pro použití CSMA/CD by bylo třeba zavést možnost zároveň vysílat a přijímat data, komunikace ve standardu je však poloduplexní.[26] Koordinační funkce Princip koordinační distribuované funkce spočívá v přístupu k médiu s tzv. oknem soutěžení. Velikost tohoto okna je pro každou stanici a třídu dána intervalem CWmin a CWmax. V případě, že má stanice nachystaná data k odeslání, tak detekuje, zda je volné médium. Pokud je médium volné, vygeneruje se náhodné číslo v uzavřeném intervalu 0 až w-1, kde w je rovno CWmin. Poté začne od tohoto náhodného čísla odpočítávat. Během celého odpočtu stále kontroluje, zda je médium volné. Pokud není, odpočítávání je zastaveno. [5] Pro lepší využití přenosového pásma a zmenšení pravděpodobnosti kolizí je čas rozdělen na diskrétní úseky. V případě, že dojde ke shodné hodnotě dvou nebo více stanic, dojde kvůli rozdělení na diskrétní úseky ke stejnému odpočtu a tedy ke kolizi. Kolize je detekována a řešena algoritmem, který přeruší vysílání. Aby se další kolizi předcházelo, je zvoleno nové náhodné číslo, avšak z většího intervalu w = 2n, kdy n udává počet předchozích neúspěšných pokusů. Odpočítávání poté pokračuje stejným způsobem. [5] Detekce nosné frekvence Ve standardu jsou využity dva způsoby 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 zodpovědná MAC vrstva. Základem metody virtuální detekce nosné je předávání informací o době přenosu a udržování této informace každou stanicí ve vnitřní proměnné zvané NAV (Network Allocation Vector). Informace o době obsazení média se předává rámci RTS (Request To Send) a CTS (Clear To Send). Tyto rámce v poli Duration obsahují informaci o délce časového intervalu, potřebné pro přenos následujícího datového rámce a ihned následujícího potvrzení ACK o přijetí.[3] Ovlivněním fyzické detekce nosné CCA se zabývám v kapitole 6. Pro zajištění QoS v rozšíření e doznaly přístupové mechanismy k bezdrátovému médiu řady změn. Základní DCF je nahrazen hybridní koordinační funkcí, která umožňuje přístup k médiu řízený přístupovým bodem. Vylepšená funkce přístupu k distribuovanému kanálu rozšiřuje distribuovanou koordinační funkci o možnost zavést kategorie přístupu a soutěžení o médium nejen na úrovni sítě, ale i každé bezdrátové stanice jako takové. [5] MAC vrstva také může řešit problém skrytých uzlů za pomoci RTS/CTS. Nasazení tohoto algoritmu je nepovinné. Problém skrytých uzlů vzniká při připojení stanic k jednomu AP tak, že díky prostorovému rozmístění nezachytí svá vysílání a dochází ke kolizím. Proto 11

19 N stanice nejdříve vyšle RTS zprávu, aby zjistila, je-li volný kanál. Pokud dostane od AP potvrzení ve formě zprávy CTS, může vysílat data a médium je pro stanici rezervované. Pokud přijímací stanice data přijala, pošle zprávu ACK. Komunikace pomocí RTS/CTS je naznačena na obr Využití RTS/CTS efektivně zabraňuje kolizím, přináší však nárůst režie. V kapitole 4 se zabývám vhodností tohoto rozšíření. Obrázek 2.6: Průběh komunikace s využitím RTS/CTS MAC vrstva dále obsluhuje kontrolu správnosti přenesených dat pomocí CRC (cyklický kontrolní součet) a fragmentaci dat pro přenos. Každý vysílaný rámec je opatřen kontrolním součtem CRC a tím je zajištěno, že za jeho pomoci bude přijímací strana schopna zjistit případnou chybu rámce při přenosu. Fragmentace rámců dělí dlouhé datové jednotky na menší části, které postupně vysílá. Dělení se provádí kvůli dodržení maximálního počtu slotů v přenosových rámcích. [10] Druhá podvrstva spojové vrstvy, též známá jako standard IEEE LLC podvrstva, má na starosti MAC adresaci, řízení toku dat, vytváření rámců a kontrolu chyb. [13] n Fyzická vrstva n Zvýšení rychlosti přenosu v je na úrovni fyzické vrstvy založeno na technologii vícenásobného vstupu a vícenásobného výstupu (MIMO). Snahou při využití MIMO je maximalizovat možný odstup signál-šum a vylepšit dosah zařízení Vícecestné šíření (Spatial Multiplexing Mode) Koncept prostorových datových proudů se vztahuje k možnosti vysílat a přijímat více rádiovými částmi. Více vysílačů a přijímačů umožňuje přístupovému bodu vyslat nezávislé proudy dat. Princip je podobný dálnici, kde s přidáním více pruhů vzrůstá kapacita, přes- 12

20 N tože zábor území není o mnoho vyšší. Stejně tak možnost vyslat více proudů dat ve stejný čas navyšuje maximální možnou kapacitu spoje. Přenášená data jsou rozdělena do proudů a přenášena různými rádii rozdílnými cestami prostředím. Pokud tyto signály dorazí na antény přijímače z dostatečně různých prostorových směrů, tak může přijímač oddělit tyto proudy do (téměř) paralelních kanálů. Na obrázku je znázorněn takový přenos, standard n umožňuje využít maximálně 4 proudy, zařízení certifikovaná Wifi Alliance musí podporovat alespoň 2 proudy. Pro každý proud musí být zařízení osazeno alespoň jednou vysílací a přijímací částí, přenos se provádí nejvyšším počtem proudů, který je podporován oběma stranami přenosu. Maximální kapacita jednoho proudu je 150 Mbit při 40 MHz šířce kanálu.[2] MIMO (Multiple Input Multiple Output) Na rozdíl od tradičních a/b/g rádiových prvků, které využívají jeden vstup a jeden výstup, n rádia využívají MIMO technologii pro zvýšení propustnosti zvýšením počtu vysílacích spojení (chain). Přístupový bod či stanice mohou mít až 4 vysílací a přijímací antény, stanice a přístupový bod nemusí mít nutně shodný počet těchto prvků. Prvky jsou značeny Rx x Tx, kde Rx je počet přijímacích a Tx počet vysílacích rádií, např. MIMO 3x3. Při přenosu je volen nejvhodnější anténní vstup vzhledem k odstupu signál šum, a vysílací části umožňují pro zvětšení zisku a úpravu pokrytí využít formování vysílaného signálu (beamforming). [1][27] Data jsou vysílána různými rádiovými částmi, a tím je umožněn nárůst přenosové rychlosti, vždy je ale vysílací čas přidělen jednotce jako celku. Dále lze využít pro tradiční přenosy nepříznivých interferencí pro lepší přijetí signálu. V budoucnu by mělo být také využito kódování dat do časového posunu, v roce 2011 však není dostupný prvek s implementací této technologie.[27] Modulace a rozšířený kanál Přenosové standardy a/g pro využití plné šířky pásma používají OFDM modulaci a rozdělení kanálu na podkanály n se drží také tohoto konceptu a pro zvýšení přenosové rychlosti rozšiřuje počet datově využitelných podkanálů z 48 na 52. V tabulce 2.7 je výčet nových párovacích rychlostí včetně využitých modulačních schémat, zahrnuty jsou rychlosti jak pro 20 MHz tak i 40 MHz kanál. Někteří výrobci neoznačují rychlosti podle jejich přenosové kapacity, ale dle kódovacího schématu MSC Další nárůst kapacity je umožněn využitím přídavného kanálu (extension channel, rozebráno v kapitole 6.9), který zdvojnásobuje zabranou a využitelnou šířku pásma na 40 MHz. Původní šířka pásma je značena HT20, rozšířená HT40. Počet nosných podkanálů je 108 v režimu HT40, v případě využití smíšeného režimu (mixed mode) je 104. [27] Poslední úpravou je zmenšení ochranného intervalu (Guard Interval) mezi rámci, který zajišt uje, aby při zpožděném příchodu rámce způsobeného například odrazy, nedošlo k jeho poškození dalším vysílaným rámcem. Snížený interval má délku 400 µs, jeho nasazením 13

21 N Obrázek 2.7: Modulační schémata MCS n [2] klesá odolnost vůči odrazům, u nejvyšší párovací rychlosti však roste rychlost z 130 na 145 Mbit Spojová vrstva n Stejně jako fyzická vrstva, tak i MAC vrstva n doznala úprav oproti dřívějším verzím Hlavním motivem bylo zvýšení rychlosti odbouráním vysoké režie přenosu. Vrstva MAC obsahuje množství režie důležité pro funkci bezdrátové sítě, velikost hlaviček rámců při využití dalších rozšíření (802.11e, WMM) narostla. Proto aby nedošlo ke stavu, kdy hlavičky tvoří více než 50 % přenášených informací, je standardem definována úprava s názvem agregace rámců, jejímž cílem je tyto náklady na režii snížit Agregace rámců (Frame aggregation) Vysílané rámce obsahují pevnou režii, úvodní část a rámcové pole. Tyto snižují propustnost celé sítě. Za účelem zamezení tohoto problému byla vyvinuta metoda agregace rámců, která se snaží náklady na režii redukovat. Principem je vkládání dvou nebo více rámců do jednoho přenosu s jednou hlavičkou. Velikost rámců byla zvětšena, z původních 2,3 kb na maximální velikost 64 kb. 14

22 N Výsledné agregované rámce však musí být při vysílání zaslány do stejného místa. To znamená, že všechny rámce uvnitř agregovaného rámce musí být směrovány k jedinému koncovému zařízení. Další podmínkou této metody je, že všechny rámce, které jsou agregovány, musí být před vysíláním připraveny ve stejném čase. [25] Agregace multicast rámců je řešena zvlášt protokolem Double Piggyback Mode Multicast Protocol (DPMM). Pro agregaci multicast rámců je totiž potřeba vyřešit problém, na jaké rychlosti fyzické vrstvy daná data vysílat. Agregace rámců 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) Při tomto druhu agregace dochází k agregování ethernetových rámců a jejich obalení společnou hlavičkou n. Nedochází tedy k překladu ethernetových rámců, ty mají menší hlavičky, a je zde potenciálně menší režie. Ve směru od připojené stanice mohou být agregovány všechny rámce, při vysílání přístupového bodu musí mít všechny agregované rámce shodný cíl. Podmínkou použití této metody je, že všechny rámce musí být na stejné úrovni kvality služeb. V případě A-MSDU není podporována plná délka agregačního 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 a dává jim jeden obalový n rámec. Ethernetové příchozí rámce jsou zbaveny hlaviček a ty jsou nahrazeny hlavičkami Použití této agregace je rovněž podmíněno tím, že všechny rámce musí mít stejnou úroveň kvality služeb. Tato technika se může zdát méně efektivní, využívá však blokového potvrzování (block acknowledgement), díky němuž dochází k opakování pouze skutečně porušených rámců uvnitř agregačního rámce. [9] 15

23 N Obrázek 2.9: Agregace MPDU [27] Blokové potvrzování (block acknowledgement) Jelikož metoda agregace A-MPDU vyžaduje potvrzování každého rámce zvlášt, byl vyvinut mechanismus blokového potvrzování, který sestavuje všechna potvrzení všech rámců agregovaných metodou A-MPDU do jediného rámce. Ten je jako potvrzení příjemcem zasílán odesílateli. Blokové potvrzování není omezeno pouze na agregované rámce, lze blokově potvrzovat i více neagregovaných rámců, čímž vzniká optimalizace přenosu i v případě rozdílných druhů provozu pro jednu stanici. Tento mechanismus umožňuje opětovné selektivní vysílání rámců, které nebyly potvrzeny. Uplatnění nachází v problémových, zarušených oblastech, kde zvyšuje efektivitu a celkovou propustnost. [29] Zpětná kompatibilita (mixed mode) Mechanismus zpětné kompatibility n vychází z mechanismu zpětné kompatibility standardu g se standardem b. Zachovává stejný princip ochrany. Vysílání n není možné dekódovat pomocí zařízení starších standardů, vysílač n je však schopný vysílat i v tzv. módu smíšeném (mixed mode). Tento mód přenáší úvodní část rámce a signální pole, kterým standardy a a g rozumí a mohou je dekódovat. Tyto postačí starším zařízením, aby zjistili informaci o chování rádiového přenosu. Zbytek rámce nový standard vysílá již ve formě n pomocí metody vícecestného šíření. 16

24 Kapitola 3 Frekvenční koexistence zařízení standardu Zařízení standardu využívají pro svůj provoz volných pásem dle Všeobecného oprávnění č. VO-R/12/ [10], a to konkrétně pásmo 2,4 a 5 GHz. Tato pásma jsou uvolněna 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 VO- R/12/ ), což způsobuje nejen zatížení datovým provozem rádiových spojů, ale také různými kamerovými nebo dohledovými systémy a nespecifikovanými občanskými instalacemi. Při návrhu sítí uvnitř budov a jejich vysokokapacitním nasazení jsou hlavními zdroji interferencí přístupové body sobě navzájem a drobné přenosy uživatelů, například BlueTooth. Drobné přenosy nelze předpovídat a ani nelze interferencím z tohoto směru zabránit, vzájemné rušení přístupových bodů a uživatelů připojených k síti však lze zkoumat a předcházet mu. Přesahy venkovních sítí lze při instalaci v budově zanedbat, pokud je budova postavena z materiálu s dostatečným útlumem. Takovým materiálem je např. cihla, beton. Naopak materiály mající malý útlum jsou např. sádrokarton a dřevo. Tyto parametry je potřeba zohlednit i při vlastním návrhu sítě, a to z důvodu odhadu dosahu a přesahu přístupových bodů. V této kapitole se zabývám vzájemným rušením zařízení celé rodiny standardů a také odolností vůči 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 rozděleno na 13 kanálů ve většině států EU a 11 kanálů v USA. Šířka kanálu je 22 MHz pro modulaci pomoci DSSS, respektive 20 MHz pro OFDM. Odstup středových frekvencí jednotlivých kanálů je 5 MHz. Z toho plyne, že celé pásmo lze rozdělit na nejvýše 3 nepřekrývající se kanály a to jak v Evropě, tak v USA. Pokud bychom požadavek změkčili na překryv pouze v hlavní části modulované v kanálu, lze v EU dosáhnout 4 nerušících se kanálů. Možnost změkčení jsem otestoval v kapitole 6. Na obr. č. 3.1 je znázorněno kanálování v tomto pásmu pro DSSS, pro OFDM je obrázek 3.2. Kanál 14 je v EU a USA nedostupný, je uvolněn pouze v Japonsku pro spoje modulované DSSS a v této práci s ním nepracuji. Nepřekrývajícími se kanály při nastavení pro USA jsou tedy kanály 1, 6, 11; v případě EU 1, 5, 9 a 13. V praxi ovšem není využíváno pouze těchto kanálů, ale uživatelské instalace nesou veškeré kanály. V části zařízení je implementována funkce auto, smart control, Carrier Busy Test apod., které samy vybírají nejvhodnější kanál na základě okamžitého zatížení pásma. Tento výběr je proveden při startu zařízení a kanál je zafixován po celou dobu provozu až do dalšího restartu. Test funkce je proveden v této kapitole na zařízení Cisco AP 1200 series a Compex WP54AG. Využití kanálů není ovšem ostře ohraničeno, dle norem ETSI a FCC part 15 jsou 17

25 3.1. ODOLNOST VŮČI RUŠENÍ Obrázek 3.1: Kanálování v pásmu 2,4GHz při využití DSSS [27] Obrázek 3.2: Kanálování v pásmu 2,4GHz při využití OFDM [27] pro vysílání stanoveny vysílací masky (spectral mask), které vyjadřují maximální možné využití kanálu a množství vyzářeného výkonu v okolních frekvencích pomodulačními zbytky. Podle těchto norem by každé zařízení vysílající v pásmu 2,4 GHz a 5 GHz dle VO-R (či příslušných jiných norem dle státu použití) mělo udržet při vysílání v jakémkoli čase tuto masku a nepřenášet výkon do okolí. Tato maska však definuje pouze obecné využití. Při použití zařízení je dle IEEE stanoveno přísnější kritérium, a to právě kvůli lepšímu využití pásma. Na obrázku 3.3 je maska pro b a na 3.4 dle normy IEEE pro a/g. Rozdíl v maskách je kvůli použití jiné modulace (DSSS u b proti OFDM u g a novějším). DSSS využívá masku typického tvaru funkce (sin x)/ x, u OFDM modulace by ideální vyzařovací diagram měl tvar konstantní funkce na intervalu (f-9; f+9). Z důvodů častého dovozu zařízení z USA a neznalosti uživatelů je kanál a 12 a 13 méně využíván kvůli nemožnosti připojení zařízení s country code US. [6] Kanál 11 bývá rušen zprava méně než ostatní kanály, tuto teorii využiji při měření, kdy otestuji chování přenosu při částečném rušení kanálů překryvem. U kanálu 1 je z důvodu ohraničení pásma tímto kanálem nižší rušení zleva, kanál 6 je tedy znevýhodněn rušením z obou stran. 3.1 Odolnost vůči rušení Pro zařízení, která pracují na sdílených kmitočtech je jednou z důležitých vlastností odolnost vůči interferencím z vnějšího prostředí. V této práci se nezabývám odolností EMC daných zařízení a ani obecnými zásadami pro návrh elektrických zařízení, ale odolností vůči rušení 18

26 3.1. ODOLNOST VŮČI RUŠENÍ Obrázek 3.3: Maska zařízení při využití DSSS [1] Obrázek 3.4: Maska zařízení při využití OFDM [27] přicházejícím z přenosového média. Sledovanými parametry jsou ve standardu definované Adjacent channel rejection a Nonadjacent channel rejection. Odolnost vůči rušení z vedlejšího a vzdálenějšího kanálu je důležitým ukazatelem kvality přijímací části zařízení. V ideálním případě by úplná odolnost zajišt ovala nerušený přenos ve vedlejších kanálech a při plánování by dala volné ruce rozmístění jednotek v prostoru. Jediným kritériem by bylo vzájemné nepřekrývání pokrytého území. Jak je dále v textu uvedeno, k této teoretické možnosti se snaží technika přiblížit, ověření této snahy měřením jsou v kapitole 6. V důsledku využití CSMA/CA algoritmu je pro pozorování odolnosti důležitá i část zajišt ující vysílání. V mé práci se zabývám parametry CCA (Clear Channel Assessment), který zodpovídá za detekci energie před vysíláním. Popudem pro zkoumání CCA je jev, kdy na vlastním přenosovém kanále není zjištěn žádný nebo jen minimální přenos s nízkou přijímanou energií a přesto přenosová rychlost a ztrátovost spojení nejsou na očekávaných hodnotách. V prácích [17] a [18] je popsán útok DoS na CCA algoritmus, který znemožňuje vysílání všech zařízení, která jsou v dosahu rušení. Podstatou útoku je neustálý zábor pásma 19

27 3.2. ADJACENT CHANNEL REJECTION pomocí vysílače a nepřítomnost časovače při opakovaných pokusech o odvysílání. Zařízení v dosahu pouze vyčkávají na vhodnou příležitost k vysílání, která však v důsledku neustálé detekce obsazenosti média (medium busy) nenastane. Při tomto druhu útoku na odolnost zařízení vůči rušení je nutno rozlišovat 2 možnosti. Pokud by útočník provedl rušení zařízením s velkým výkonem (řádově desítky Wattů), jistě by neušel pozornosti regulačního úřadu (v našem případě ČTÚ) a jeho konání by nemělo dlouhého trvání. Navíc vysílání vysokých výkonů v pásmu 2,4 GHz skrývá pro potenciálního útočníka také nebezpečí a to v podobě zdravotního ohrožení díky rozkmitu molekul vody. Tento případ moje práce nezohledňuje, zejména kvůli obtížnosti provedení. Druhý a pro sítě nebezpečnější útok je založen na témž principu, ale je pouze lokální. Jde o přestavbu běžného zařízení na rušičku krátkého dosahu. K tomu lze snadno využít ve všech ovladačích dostupného módu ad-hoc a jeho bezstavové konfigurace. Pokud tomto módu začneme vysílat packety vyšší IP vrstvy (například ping) na adresu všesměrového vysílání, dojde k odvysílání rámců s tímto obsahem a to i přes to, že v dané ad hoc síti není žádná jiná stanice dostupná. Těchto vlastností jsem využil při generování rušení v kapitole 6. Tato popsaná situace při útoku je však možná i při běžném provozu zařízení a to zvláště ve velmi exponovaných lokalitách. Proto v této práci měřím úroveň, při které je odloženo vysílání a to jak ve využívaném, tak i vedlejším kanále. 3.2 Adjacent channel rejection Jak již bylo výše zmíněno, kanál pro přenosy dat dle standardu a/g má šířku 20 MHz. To určuje, že při vysílání je zabráno 18 MHz v plném vysílacím výkonu s potlačením nosné frekvence, na obou okrajích je 1 MHz ochranného pásma s potlačením výkonu. U staršího b a legacy je zabraný kanál širší 22 MHz, na rozdíl od g má však maska jiný tvar a výkonový průběh. Vždy však vznikají pomodulační zbytky, které přenáší nežádoucí výkon z vysílače do prostředí. Snahou vývojářů a návrhářů hardware je omezit tento výkon na minimum. Na obrázku 3.4 je maska pro signály v modulaci OFDM. Potlačení nežádoucích výkonů je dle normy minimálně 20 db ve vzdálenosti 11 MHz od středové frekvence kanálu. Utlumení pak dále pokračuje až do útlumu 40 db a více. Tento výkon přesto ovlivňuje přenos ve vedlejším kanále. Dle IEEE legacy a b 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 a/g/n, je tato vzdálenost snížena na 25 MHz. Aby pojítko vyhovělo, musí při testu propustnosti vydržet rušení na vedlejším kanále při stanovených rozdílech signálu. Ovlivnění se testuje pouze jako rušení z jedné strany nepočítá se s rušením z obou stran. Rozdíl výkonu v hlavním a vedlejším kanálu, při kterém musí ještě docházet k přenosu stanovené kvality (viz níže), je stanoven pro každou párovací rychlost. V tabulce 3.1 jsou tyto hodnoty vypsány, pro b je stanoven minimální odstup pro všechny rychlosti stejný z důvodu použití modulační strategie DSSS, která s rostoucí přenášenou kapacitou nezvyšuje hustotu zabraného spektra.[1] 20

28 párovací rychlost (Mbit) ACR (db) Non-ACR (db) Tabulka 3.1: Požadavky na parametry přijímací části [1] 3.3. KOEXISTENCE B/G V praxi však není využita normou stanovená rozteč 30 MHz, respektive 25 MHz. Při této rozteči by se do pásma širokého v Evropě 84,5 MHz vešly pro vyšší modulace 3, pro nižší pouze 2 nepřekrývající se kanály. V případě využití pouze kanálů 1 11 by to znamenalo omezení na 2 kanály bez rozdílů použité modulace. Proto jsem provedl měření v plném obsazení tzn. využité kanály, resp. jejich středové kmitočty byly od sebe ve vzdálenosti 20 MHz. To by umožnilo v Evropě rozprostření kanálů 1, 5, 9, 13 a využití algoritmu čtyřbarevného obarvení pro výpočet rozmístění kanálů v prostoru. Popis měření je uveden v kapitole 6 a 7. Rozdíl mezi prakticky využívaným kanálovým rozmístěním a standardem danými minimálními hodnotami je zhodnocen v závěru této práce. 3.3 Koexistence b/g Jak již bylo uvedeno v kapitole 2.4, protokol již v sobě obsahuje metody pro zamezení interferencí mezi zařízeními. Zařízení naslouchá před vysíláním a pomocí NAV vektoru předpovídá, kdy bude pásmo volné. Tento mechanismus předpokládá, že na daném kanále operují zařízení kompatibilní s a všechna využívají CSMA/CA. Pokud si odmyslíme okolní náhodné rušení, je tento předpoklad správný pouze ve chvíli, kdy všechna zařízení operují v nepřekrývajících se kanálech. Pokud však zařízení operuje s jinou střední frekvencí, jeví se pro naslouchající zařízení tento signál jako šum a není schopno odhadnout, jak dlouho toto vysílání bude trvat. Záleží na dané implementaci ovladače bezdrátového zařízení, zda vyhodnotí toto vysílání pouze jako běžný šum a začne vysílat, a nebo bude čekat náhodný čas na uvolnění média. 21

29 Kapitola 4 Optimalizace bezdrátového přenosu Bezdrátové přístupové body umožňují řadu nastavení, která mají různý vliv na průběh přenosu. Ne všechna nastavení jsou dostupná u všech výrobků , v této kapitole jsou však popsány podstatné parametry, které mohou zlepšit bezdrátový přenos. U každého je popsáno, na kterou část přenosu má vliv a jaký je očekávaný přínos. Pokud má dané řešení i zápornou stránku, je to taktéž zmíněno. 4.1 ACK timeout Jak je zmíněno v kapitole 2, přenášené rámce jsou ihned potvrzovány rámci ACK. Při běžném použití v interiéru je doba, za kterou bezdrátové vlny urazí vzdálenost mezi vysílačem a připojenou stanicí v řádu desítek mikrosekund. Pokud nejsou v cestě překážky, je tato doba téměř konstantní. K prodloužení této doby dochází vlivem odrazů, pohybu jednotlivých stanic a změně fáze při průchodu materiálem. Potvrzovací rámec musí být odeslán ihned po přijetí a zpracování příchozích dat. Po vyhodnocení stavu je krátký ACK rámec vyslán zpět ke stanici. ACK timeout definuje dobu, po kterou zařízení čeká na potvrzení vyslaného rámce a po vypršení této doby bez přijetí ACK je považován za ztracený. Pro určení ACK timeout existují 2 strategie automatické a manuální. Manuální je vhodné ve venkovním prostředí a stacionární instalaci, kdy jsou známy vzdálenosti mezi přístupovým bodem a stanicemi, a nejvyšší možná vzdálenost se nemění. Výpočet je založen na rychlosti šíření vln, která se blíží rychlosti světla. Dále je nutné vždy vyčkat, aby protistrana měla čas svůj rámec odvysílat včetně všech ochranných intervalů (SIFS a DIFS). Z toho je vidět, že délka preambule výrazně ovlivňuje délku ACK timeout a je její hlavní složkou.[15] Proto pro a hodnota ACK = * (vzdálenost / 300) mikrosekund. [13] V případě nastavení vypršení ACK na příliš krátkou dobu dojde ke dvěma možným jevům. Pokud je některá stanice za hranicí vzdálenosti, kam reálně rámce mohou dorazit a být potvrzeny, nebude tato stanice schopna žádného provozu (ani asociace s přístupovým bodem). Pokud je vzdálenostní rozdíl vysoký, dojde vždy pouze k připojení stanice k přístupovému bodu a jeho následném odpojení pro ztrátu komunikace. V případně malého překročení nastane nedeterministické chování a ztrátovost spoje. Druhým jevem je vysoká hodnota opakovaných rámců v případě, že prostředí poskytuje velké množství odrazů a vícecestného šíření, kdy hlavní energie vlnění dorazí s jistým zpožděním oproti přímému šíření. Výjimečným problémem může být příliš velká doba zpraco- 22

30 4.1. ACK TIMEOUT vání rámce u stanice. Tento problém se v dnešní době již nevyskytuje, karty mají na sobě tyto funkce implementovány a trvají pevně stanovenou dobu pro zpracování. Pokud není rámec v této době rozkódován, je považován za neopravitelný. Tato doba je již započítána ve výpočtu viz výše. [15] Nastavení vypršení ACK na vysokou hodnotu je běžným jevem zapnutého kompatibilního módu b/g, kdy tato hodnota je společná pro všechny asociované stanice. Rozdíl v délce trvání preambule je rozebrán v následující kapitole. Automatická volba ACK probíhá ze strany přístupového bodu, kdy počáteční komunikace je provedena na nejdelší možný a po prvním přenosu všech připojených stanic je nastavena na nejdelší zjištěnou hodnotu v daném rozložení stanic. Velkou výhodou této metody je udržení spojení při zjištění nedostupnosti některé ze stanic změnou polohy a to prodloužením ACK na maximální hodnotu a nového ustavení. Vede však k neefektivitě, protože ACK je ustaveno na začátku přenosu a je jistou dobu udržováno. Není tedy okamžitě zohledněna prostorová změně rozmístění stanic, případně změna vlivů, které ovlivní dobu přenosu např. překážky. V případě ideálního prostředí bez rušení je vliv vypršení ACK na rychlost přenosu minimální, protože rámce docházejí vždy neporušeny a čas od reálného přijetí ACK do jeho potenciálního vypršení není nikdy aktivně vyčkáván. Při ztracení rámce při cestě ke stanici nebo v případě ztracení ACK při cestě zpět má však tento čas velký vliv na dobu přenosu. V následující tabulce je tento rozdíl vyjádřen v úbytku maximální přenosové rychlosti dostupné pro daný přístupový bod a počet opakování vysílání (kolik opakování nastane na 10 přenášených rámců). reálná vzdálenost ACK (µ) bez opakování 1 opakování 3 opakování ,38 24,74 21, ,38 24,55 21, ,14 19,72 17, ,38 22,88 17, ,32 8,82 7,96 Tabulka 4.1: Vliv vzdálenosti a ACK na snížení přenosové rychlosti Doba potvrzení rámců má tedy i vliv na přenosovou rychlost a se zvyšující se vzdáleností klesá propustnost spoje. Po odeslání rámce a při vyčkávání na příchod potvrzení nastává čas aktivního čekání, který lineárně roste se vzdáleností. Za každých 300 metrů vzdálenosti se musí ACK zvýšit o 1 µs. V případě vnitřního nasazení však není tento faktor rozhodující, protože stanice připojené k bodu jsou ve vzdálenostech limitovaných jejich vysílacím výkonem a ziskem anténního systému. ACK je zaokrouhlováno nahoru na celé µs. 23

31 4.2. VYPNUTÍ ZPĚTNÉ KOMPATIBILITY 4.2 Vypnutí zpětné kompatibility Jak již je uvedeno v kapitole 2, pro souběžný provoz zařízení normy b /g na jednom přístupovém bodu je nutné zavést strategii ochrany těchto zařízení. Nejčastěji se setkáváme s označením G-protection. S ústupem starších zařízení z provozu bývá tato položka zvláště u nových zařízení normy n vynechána. Vliv na výkon je závislý na počtu kooperujících zařízení na bodu a použitého druhu ochrany. Při modelovém případu 10 připojených stanic na přístupový bod provedu výpočet pro tři scénáře, a to: připojený klient v b normě je pouze připojen s minimální aktivitou (1), připojený klient v b normě provádí přenosy se stejnou intenzitou jako ostatní klienti připojení k přístupovému bodu (2), připojený klient v b normě provádí přenosy v plné jemu dostupné šířce přenosového pásma (3). vytížení stanicí b max. rychlost (Mbit) 1 10,6 2 7,36 3 6,2 Tabulka 4.2: Hodnoty maximální přenosové rychlosti při využití G-protection Při výpočtu bude použita CTS to self metoda. Důvodem je využívání tohoto algoritmu jako výchozího u produktů Intel a Atheros. Jak je vidět z tabulky č. 4.2, při velmi nízkém zatížení klienty se staršími zařízeními dojde k neúměrnému snížení kapacity přístupového bodu, i když není přenos narušován častými kolizemi s rychlejšími zařízeními. Při stejnoměrném nebo vysokém využití kapacity zařízeními b dochází k přiblížení přenosové rychlosti standardu b. Je to způsobeno tím, že hlavní složkou přenosu je preambule každého rámce přenášená na rychlosti nejvýše 2 Mbit, a to i u zařízení podporujících vyšší párovací rychlosti. Následná doba přenosu uživatelských dat u rychlých zařízení tvoří pouze 26 % z celkového času přenosu včetně režijních nákladů. [1] Vypnutím této ochrany lze získat přenosovou kapacitu běžnou pro a a zachovat možnost přenosu i pro starší zařízení. Zařízení standardu g zvládají v režimu b/g dekódovat data vyslaná starším klientem a prodloužit si NAV vektor o odpovídající čas. Tato vlastnost však není dostupná pro klienty b, kteří detekují rámce modulované OFDM pouze jako jistou úroveň energie v kanále a odkládají vysílání o náhodný čas. Zde pak záleží na zatížení přístupového bodu a rozmístění připojených stanic. Vypnutí režimu kompatibility je vhodné v sítích, které mají velké požadavky na přenosovou rychlost, ale nikoli trvalé zatížení, a přesto chtějí umožnit připojení všem klientům bez 24

32 4.2. VYPNUTÍ ZPĚTNÉ KOMPATIBILITY ohledu na verzi bezdrátového rozhraní v jejich přístroji. Typickým představitelem tohoto typu přístupového bodu je sít v prostorách univerzit. O vypnutí režimu jako takového má dále smysl uvažovat u přístupových bodů s vyžadovaným šifrováním na úrovni WPA a vyšší. Toto šifrování není obsaženo v definici b, a proto ani potenciální klient vybavený starším zařízením nebude mít možnost se připojit. [1] K využití párovacích rychlostí standardu b by tedy došlo pouze zařízením v režimu b/g při zhoršených přenosových podmínkách. Je však otázkou, zda daný klient má zatížit bod nejen svými pravděpodobně pomalými přenosy, ale dále také nutností využít ochrany stanic. Ta by v tomto případě dále zpomalovala přenos všech ostatních stanic daného bodu. Touto otázkou se zabývám v dalších odstavcích této kapitoly. Zachování režimu ochrany je tedy vhodné hlavně na přístupových bodech náhodného přístupu, kde umožní komunikaci všem připojeným klientům v minimální kvalitě a rychlosti dané b, a novějším zařízením zprostředkuje možnost přenášet svá data až rychlostí o 130 % vyšší než v případě, že by bod byl provozován pouze v režimu b g only V rámci kompatibility standardu b s g je běžně provozován a užit ve výchozím nastavení většiny přístupových bodů režim b/g, kdy jsou povoleny všechny párovací rychlosti obou standardů. Zapnutím režimu g (často označován jako g-only) zamezíme přístupu starších zařízení k AP a zbavíme se možnosti využít G-protection. Dané zařízení přestane vysílat preambule v režimu long či short, bude je modulovat pouze v OFDM na rychlosti 6 Mbit. Ve výsledku se dané zařízení začne chovat stejně jako zařízení a bez jakýchkoli rozdílů v přenosové rychlosti. Bude pouze využívat jiné frekvenční pásmo. Výhoda v nárůstu rychlosti je zřejmá, zapnutí tohoto režimu však přináší i nevýhody. Bod přestane demodulovat rámce na stejném kanále vysílané pomocí DSSS a začne tuto energii brát pouze jako šum a odkládat vysílání pouze o náhodný čas bez možnosti prodloužit NAV vektor o známou dobu přenosu rámce. Toto nastavení tedy není vhodné v prostředí, kde je velké zatížení provozem modulovaným DSSS. Daleko výhodnější se jeví nechat zapnutý b/g režim s výběrem párovacích rychlostí (viz 4.8). Ovlivnění stávajících spojů DSSS zařízením g není řešitelné. I v případě využití b/g režimu a připojení pouze stanic podporujících oba standardy, jsou rámce vysílány pouze v OFDM, a pouze maják (beacon) je vysílán na nejnižší rychlosti 1 Mbit n only V nejnovějším standardu je zaveden nový pojem HT Greenfield, který značí, že provoz bezdrátové sítě je omezen pouze na n. Přináší vypnutí zpětné kompatibility jak se standardy b/g, tak i a, pokud je sít provozována v pásmu 5 GHz. Pro provoz v režimu HT Greenfield s využitím plné kapacity je potřeba čisté prostředí bez možnosti kolize se staršími zařízeními. Stejně jako u g dochází k nečitelnosti 25

33 4.3. RTS/CTS rámců od starších zařízení, zbytečnému soutěžení o médium v době, kdy probíhá přenos, a pádu přenosové rychlosti obou souběžně provozovaných sítí. Dalším úskalím je provoz mnoha zařízení s podporou pouze Draft verze n, a to jak Draft 1.0, tak i Draft 2.0. Tato zařízení mohou mít problém využít n only přístupových bodů. Na základě těchto komplikací je HT Greenfield provoz vhodný do uzavřených dobře odstíněných prostor, kde není žádný jiný provoz v daném frekvenčním pásmu, praktické využití se nabízí ve skladech apod. Pro využití v exponovaných místech nebo místech s velkým náhodným přístupem je tato optimalizace nevhodná. 4.3 RTS/CTS Zavedením RTS/CTS do sítě lze eliminovat problém skrytých uzlů. Skrytý uzel je taková stanice v síti, která přijímá rádiové vlny od přístupového bodu a může s ním komunikovat, ostatní účastníci komunikaci od této stanice nezachytí a recipročně skrytý uzel nezachytí vysílání ostatních stanic. Dochází tedy ke kolizím, které není schopen algoritmus CSMA/CA ošetřit. V práci [3] je popsán vliv skrytých uzlů na chod sítě, propustnost uzlu tohoto typu klesá na 0,1 1 % přenosové rychlosti ostatních uzlů sítě. Stanice tedy není schopna téměř žádného přenosu, pouze její vysílání způsobuje kolize a snižuje přenosovou kapacitu ostatním uzlům. Nasazení RTS/CTS je však provázeno úskalími, která vycházejí ze standardu. RTS/CTS je implementováno jak v b, tak i v g, je však pouze doplňkovou a volitelnou strategií pro řízení přístupu k médiu. Nastavení se však neprovádí pouze na vysílači, hodnota maximální délky rámce odbaveného bez RTS/CTS se nastavuje na každé přijímací stanici. Základním nastavením v ovladači všech bezdrátových adaptérů dle normy je 2347 bajtů, což je maximální délka rámce. V takovémto případě není RTS/CTS nikdy využíváno a přenosy jsou řízeny pouze CSMA/CA. Pro ideální funkčnost je vhodné mít na každé stanici nastavenu stejnou hodnotu RTS threshold. V případě, že v síti je připojena alespoň jedna stanice, která bude mít nastaveno RTS na menší hodnotu než 2347 bajtů a bude chtít přenášet rámec této délky, přístupový bod jí vyhradí přenosový čas a v tuto dobu jsou ostatní stanice umlčeny. Pokud však ostatní stanice nevyužívají RTS/CTS, je tato stanice znevýhodněna tím, že vyčkává na pokyn CTS, který však v případě ztráty RTS není vyslán a stanice soupeří s ostatními stanicemi, které využívají CSMA/CA. Vhodné nastavení velikosti RTS se odvíjí od délky typicky přenášených dat a parametru Fragment Threshold, který určuje, jaký nejdelší rámec je odvysílán v jednom kuse, případně zda bude rozdělen na více rámců. Na základě simulací a měření v pracích [3][20] je rozsah vhodný pro připojených klientů bajtů, při 10 a méně stanicích je vhodné volit vyšší až do hodnoty 1600 (častá délka rámce pro 1500 bajtové packety). Nízká hodnota RTS zajistí také spravedlivější přístup k médiu při využití velkého pásma pro odesílání dat směrem od klientských stanic, zvláště při užití agresivních protokolů vyšších vrstev posta- 26

34 4.4. ODPOJOVÁNÍ PODLE SÍLY SIGNÁLU vených na UDP. Vzhledem k nemožnosti ovlivnění tohoto parametru ze strany správců většiny otevřených bezdrátových sítí není dále s touto strategií v této práci počítáno, v případě simulace g s protekcí je využito základního nastavení. RTS/CTS je vhodné pro stacionární nasazení bezdrátové sítě v případě, že kontrola nad připojenými jednotkami a jejich nastavením je plně v kompetenci správce dané sítě. V ostatních případech způsobuje zapnuté RTS/CTS nedeterministické chování bez přidané hodnoty pro stanice využívající tento režim. 4.4 Odpojování podle síly signálu Pokrytí přístupových bodů uvádí výrobce vždy jako maximální možnou vzdálenost přenosu, neuvádí však, jak rychlý tento přenos bude. Typickým údajem je 100 metrů v uzavřených a 300 metrů v otevřených prostorech, údaje jsou v ideálním prostředí při možnosti využít citlivosti bezdrátových adaptérů. Zachycení SSID umožňuje klientům pokusit se připojit k takto zachycenému bodu a získat přístup k síti. Pokud dojde k ustavení spojení a klientovi není zaslán odhlašovací rámec, může probíhat komunikace podle scénáře, který je nastíněn v předchozích kapitolách. V případě vysokorychlostního nasazení však klienti připojení s nízkou úrovní signálu a využívající nízkých párovacích rychlostí zabírají velkou část času přístupového bodu. Proto je v některých AP implementována možnost odpojit klienty s nedostatečným signálem. Těmto klientům je pak při žádosti o připojení zaslán rámec o odpojení. Vhodnou úroveň pro odpojení je třeba stanovit na základě hustoty přístupových bodů a požadavcích na plynulost roamingu. Pokud je sít bodů hustá, je dobré udržet všechny připojené stanice na maximální přenosové rychlosti, tj. 54 Mbit u g a 150 Mbit u n. Citlivost zařízení pro tuto rychlost je při dodržení normy nejméně -68 dbm.[4] Při menší hustotě pokrytí je dobré se vyvarovat provozu klientů s nejnižšími rychlostmi a signálovými úrovněmi na hraně udržení spojení. Úroveň signálu by ani v tomto případě neměla být horší než -80 dbm. 4.5 Retry limit HW retries Přenos rámců prostředím není vždy bezchybný a doručení rámce může selhat. V případě chyby proběhne opakované vysílání rámce. Hodnota retry limit (případně HW-retries u operačního systému Mikrotik) určuje, kolikrát je rámec opakován na jedné párovací rychlosti, než dojde k jejímu snížení. Pokud zařízení vysílá na nejnižší možné rychlosti (bud vysílání na všech vyšších selhalo, nebo to signálové podmínky neumožňují), nebere se na hodnotu retry limit ohled počet opakování je nastaven pevně na 3. Pokud ani po třech pokusech není rámec doručen, je vysílání přerušeno na dobu nazývanou on-fail-retry-time. Poté je přenos opět zopakován, opakované vysílání provádí přístupový bod až do konečného doručení, vypršení odpojovacího intervalu nebo vypršení platnosti přenášených rámců.[7] 27

35 4.5. RETRY LIMIT HW RETRIES Z definice plyne, že počet opakování ovlivňuje dobu přenosu rámce. Vzhledem k rychlosti přenosu a latenci je zde jistý vztah. Pokud bude čítač nastaven na nízkou hodnotu, dojde často k přechodu na nižší párovací rychlost. Při přenosu nižší rychlostí trvá přenos rámce delší dobu, s větší pravděpodobností však bude přenesen bez porušení.[1][7] Při základním nastavení a využití všech přenosových rychlostí záleží na agresivitě vnitřního algoritmu pro určovaní párovací rychlosti.[24] Na obrázku 4.1 jsou možnosti volby u zařízení s operačním systémem AirOS. Obrázek 4.1: Volba algoritmu pro výběr párovacích rychlostí v AirOS Volba algoritmu není častou možností, nastavení počtu opakování je rozšířeno i v běžných spotřebních přístupových bodech. Při porušeném příjmu nejsou postupně zkoušeny všechny rychlosti, dochází ke strmějšímu snižování.[24] K upravení chování lze využít nastavení rychlostí podle kapitoly 4.8. Retry limit nabývá hodnoty od 3 po 15 a nejvíce se při nastavení zohledňuje zarušení prostředí. [24] Empiricky se ukazuje, že ve vnějším prostředí je vhodné nastavit hodnotu 8 a vyšší. [16] Toto nastavení je i matematicky podepřené, protože pokud se při nejvýše 8 opakováních povede rámec přenést na vyšší rychlosti (např. 54 Mbit), je čas strávený tímto přenosem nižší, než pokud by došlo ke 4 opakováním a následném úspěšném přenosu na rychlosti 24 Mbit (1928 µs při 54 Mbit a 2910 µs při 24 Mbit). 28

36 4.6. PREAMBULE MODE Při vysokých hodnotách však může u některého typu provozu (typicky VOIP), docházet ke zdržení vyššímu než je pro daný účel vhodné. Zde je pak třeba upravit jak retry limit, tak i maximální párovací rychlost, aby došlo k přenosu v požadovaném čase a rozptylu. [30] V souvislosti s přenosovou rychlostí lze tedy říci, že vyšší retry limit zvyšuje propustnost přístupového bodu, toto zvýšení je však vykoupeno vyšším rozptylem. 4.6 Preambule mode Volitelná délka preambule je doménou staršího b, přesto má vliv i na přenos g, a to v případě využití ochrany stanic ve smíšeném režimu. V roce 2011 již pravděpodobně nejsou běžnými uživateli provozována stará zařízení schopná pouze módu legacy. Proto striktní využívání dlouhé preambule je vhodné pouze pro venkovní aplikace v plném prostředí, kde je zapotřebí dosáhnout zaručené synchronizace. Využitím short preambule dochází ke zkrácení režie na každém rámci z 192 µs na 96 µs, což se projeví nárůstem přenosové rychlosti v b téměř k 7 Mbit, v mixed režimu s využitím G-protection je tento nárůst díky dvojímu vysílání RTS/CTS ještě znatelnější. Zvyšuje přenosový rozdíl mezi čistým využitím starší b-normy a nové ve smíšeném režimu. Z běžně dostupných nastavení přístupových bodů přináší nejvyšší nárůst rychlosti. [21] 4.7 Parametry agregace Rozšířením délky rámce až na 64KB v režimu agregace se ve standardu n objevila možnost zvolit si, kolik rámců se má agregovat a jaká je maximální délka výsledného rámce. Jak již jsem psal v kapitole 2.4, vlivem agregace dochází ke zpoždění rámců a vzniká rozptyl v jejich odvysílání. Některé aplikace (VOIP apod.) mohou být na tento rozptyl citlivé, a proto lze volit délku rámce dle uživatelských preferencí. Volba malého počtu agregovaných rámců (např. 4) přinese neznatelný nárůst zpoždění, ale režie se zmenší o ACK směrem od cílové stanice a směrem k místu určení je modulována nízkou rychlostí pouze jedna hlavička, hlavičky agregovaných rámců jsou přenášeny na plné rychlosti. Počet agregovaných rámců má rozsah 2 32, velikost agregačního rámce je omezena na 2304 až bajtů. [2] Provedl jsem ověření vlivu agregace na rychlost přenosu, shrnutí výsledků je v kapitole Úprava párovacích rychlostí V základním nastavení jak u klientů, tak u přístupových bodů, jsou povoleny všechny párovací rychlosti (data rate), jejich soupis je v kapitole 2.4. Přístupový bod určuje pro jednotlivé rámce párovací rychlost dle signálových poměrů dané stanice, stejnou volbu provádí stanice při odesílání svých dat a ACK. Pro jednotlivé rychlosti je vyžadována v normě určitá 29

37 4.9. ZMĚNA ŠÍŘKY PÁSMA citlivost přijímače. Jak jsem již napsal v podkapitole 4.5, přepínání rychlostí způsobuje jistou prodlevu při vysílání a v ideálním případě všechny stanice zůstávají na nejvyšší (54 Mbit) rychlosti, pouze ACK jsou vysílány na rychlosti 24 Mbit a začátek preambule je přenášen nejnižší možnou rychlostí (6 Mbit). Ne každý přístupový bod umožňuje volbu, které rychlosti lze využít. Mnou testované zařízení Cisco umožňuje jednotlivé rychlosti vypnout, povolit nebo vyžadovat. Podobné možnosti nastavení mají i přístupové body s operačním systémem Mikrotik, u firmy Ubiquity lze pouze volit maximální použitou párovací rychlost. V rámci zpětné kompatibility je vhodné ponechat nejnižší rate, ale to pouze v případě bodů b. U g jsou již všechny rychlosti součástí základního vybavení a proto není nutné ponechávat rychlost 6 Mbit aktivní. Vypínáním jednotlivých rychlostí lze docílit méně častého přepínání rychlostí a v případě, že bod neumožňuje odpojovat klienty s nižší než stanovenou úrovní signálu, tak zamezit jejich připojení. Zde je však nutné si uvědomit, že citlivost jednotlivých zařízení se liší a chování je též ovlivněno nastavením ovladačů. Proto nelze vypnutím např. rychlostí 6, 9, 12 Mbit deterministicky zabránit připojování klientům, kteří neudrží tuto párovací rychlost. Pro nasazení ve vysokokapacitním použití s hustou sítí bodů je výhodným řešením vypnout rychlosti 6, 9, 12, případně 18 Mbit, zvláště vzhledem k rostoucí úrovni šumu v éteru, který nedovoluje využití plné citlivosti karet. V případě nutnosti připojení i vzdálených klientů v rušném prostředí je vhodné ponechat některou z nízkých rychlostí aktivní. Rychlost 6 Mbit je sice nejodolnější z normy g, je však srovnatelná kapacitně s rychlostí 5,5 Mbit v b, která je mnohem odolnější na rušení z vedlejšího kanálu. Aby byl nárůst rychlosti srovnatelný s maximem b a ospravedlnil využití pouze g, je vhodné využít párovací rychlosti 9 nebo 12 Mbit vzhledem k jejich parametrům (citlivosti -87 a -85 dbm u běžných karet CM9, Intel apod.). Dále se odolností jednotlivých párovacích rychlostí na rušení z vedlejšího kanálu zabývám v kapitole Změna šířky pásma Běžná šířka kanálu pro bezdrátový přenos je stanovena na 22 MHz či 20 MHz. S příchodem standardu n přibyla možnost využít běžně a bez speciálních rozšíření kanál šířky 40 MHz. Dle ETSI [1] je pro rádiové spoje v pásmech 2,4 a 5 GHz možno využít nejen tohoto běžného kanálování, ale i zúžené kanály. Jejich možná šířka je vždy 1/2 nebo 1/4 základní šířky. Již před uvedením n se objevily pokusy, jak zvýšit propustnost bezdrátového přenosu k magické hranici 100 Mbit. Šlo pouze o útok na úrovni fyzické vrstvy, nikoli využitelné kapacity. Tyto pokusy využívaly dvojnásobnou šířku pásma a tím zdvojnásobily párovací rychlost. Typicky je označován tento režim jako turbo, maximální párovací rychlost je 108 Mbit. [28] Narozdíl od n, kde je využití 40 MHz implementováno pomocí funkce extention channel, byly tyto technologie vázány na chipset či modelovou řadu daného výrobce. Také 30

38 4.9. ZMĚNA ŠÍŘKY PÁSMA uživatelsky není vhodné nasazení, protože zařízení při připojování musí nalézt, v jaké šířce pásma přístupový bod vysílá. To znesnadňuje plynulý hangover. Navíc interoperabilita těchto zařízení neumožňuje nasazení v hustém prostředí. Rámce jsou běžnými kartami detekovány pouze jako rušení a dochází pouze k náhodnému odkládání vysílání či degradaci přijímaných signálů. V hustě obsazeném pásmu 2,4 GHz existuje pouze jeden nepřekrývající se kanál, a to kanál 6 [30], a to z důvodu možnosti využití jak v Evropě, tak v USA. Tento kanál je navíc nevhodně umístěn vzhledem k ostatním 20 MHz kanálům, a proto navýšení rychlosti na dvojnásobek je spíše reklamním tvrzením. Jak je uvedeno v úvodní kapitole, šum roste s šířkou kanálu, a proto je u turbo módu nutná vyšší signálová úroveň, aby bylo dosaženo přijatelného odstupu signál šum. To zkracuje dosah takto nasazených přístupových bodů na velmi malý prostor, typicky pouze místnost s vysílačem. V pásmu 5 GHz je tato možnost už více atraktivní, a zvláště u venkovních sítí je často využívána u kapacitních point-to-point spojů krátkého dosahu. Velkou výhodou tohoto pásma je též vyšší povolený vyzářený výkon a lze zde dosáhnout snadněji potřebného SNR (signalto-noise). Využití přídavného kanálu v n přináší zpětnou kompatibilitu a nárůst přenosové kapacity v případě potřeby (viz kapitola o n). Z hlediska zabraného pásma je využití přídavného kanálu ve vnitřních instalacích přínosem, největší výhodou kromě kompatibility je nezvyšování šumu v pásmu při malých využívaných kapacitách. Méně zatížené body přístupové sítě neubírají pásmo pro ty, u kterých je vyžadována velká přenosová rychlost. Jistou nevýhodou této metody je rozhodování o povolení přídavného kanálu. Pokud je k bodu připojena alespoň jedna jednotka, která využívá 40 MHz kanál, je pro tuto stanici vždy využit. Pro ostatní je využit pouze 20 MHz základní kanál. Některé bezdrátové adaptéry a přístupové body pracují s detekcí požadované kapacity a rozhodují o přidaní rozšířeného kanálu dynamicky. Zde může však dojít k nevhodnému přepínání režimů kvůli jistému zpoždění protokolů vyšších vrstev (nejčastěji TCP). Druhou nevýhodou je v případě občasného využití pouze stanicemi n negarantovatelnost přenosu v rozšířeném kanále. Protože není využíván stále, jiné jednotky mohou tento kanál detekovat jako volný a využít ho ke své činnosti. Zvláště u automatické volby kanálů bez provázanosti centrálním systémem může dojít k paradoxní situaci, kdy přenos s rozšířeným kanálem je díky rušení a nutnému opakování rámců pomalejší než přenos standardním 20 MHz kanálem. V otázce kapacity je použití rozšířeného kanálu méně ekonomické k zabrané šířce pásma než při turbo režimu, protože z důvodů zpětné kompatibility je nutno vysílat rámce ve dvou samostatných kanálech a při přenosu preambule je potřeba dodržet ochranné rozestupy mezi kanály. Snížená efektivita využití pásma je znázorněna na obrázku 4.2. V případě režimu zpětné kompatibility až na úroveň b při využití rozšířeného kanálu je nutné vysílat do obou kanálů CTS-to-self rámce pro zajištění volného přenosového pásma. To opět vede ke zvýšení režie a obsazení kanálů pouze synchronizačními daty. Zúžené kanály šířky 5 MHz a 10 MHz nacházejí uplatnění spíše u instalací pro průmyslová zařízení ve vnitřních prostorách (sklady apod.) a při venkovním osazení bezdrátových 31

39 4.9. ZMĚNA ŠÍŘKY PÁSMA Obrázek 4.2: 40 MHz kanál při využití n [27] spojů. K většímu rozšíření mezi uživateli zatím nedošlo, výrobci běžných karet pro spotřební elektroniku nezahrnují tuto možnost do ovladačů svých adaptérů. Přenosová kapacita při zmenšeném přenosovém kanálu je poloviční, resp. čtvrtinová oproti běžnému toku na standardním kanále, přestože poměr ochranných intervalů a pásma využitého k přenosu je nižší. Je to způsobeno snadnějším dosažením požadovaného SNR. 32

40 Kapitola 5 Simulace V teoretické části jsem vybral důležité parametry standardu pro bezdrátový přenos. Pro ověření, zda dané parametry mají na přenos vliv, jsem se rozhodl kromě měření provést také simulaci. V dnešní době je dostupné velké množství softwaru, který simuluje chování Lze využít bud komerčního softwaru (NetSim, OPNET, MatLab), nebo některého s volnou licencí (OMNET ++, nv2). Při výběru vhodného nástroje pro simulaci jsem si stanovil podmínky, které musí nástroj splňovat: Moduly minimálně pro , b, g, a, výhodou by byl modul pro n Možnost definovat zátěž na úrovni aplikací a přenosových protokolů Nastavení výkonových parametrů bezdrátové sítě 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 době začátku vzniku této práce. V dnešní době (konec roku 2011) již je k dispozici verze 16.5 s podporou n. 5.1 OPNET OPNET Modeler (OM) je produktem firmy OPNET Technologies Inc. Jako první sít ový simulátor byl uveden na trh v roce Umožňuje simulaci jakékoli možné sít ové architektury, protokolů a zařízení. Program je pro operační systém Microsoft Windows a to jak v 32, tak i 64bitové verzi. Skládá se ze tří editorů, které pracují na různé hloubce a podrobnosti popisu. Jsou to Project, Node a Proces editor. Pro moji simulaci využiji již definované prvky, a proto vystačím pouze z Project editorem. Na obrázku (OPNET) jsou hlavní obrazovky jednotlivých editorů. Konfigurace všech prvků v OM je možná bud přes grafické rozhraní programu, nebo úpravou kódu jednotlivých konfiguračních souborů. Tato možnost je výhodná zvláště při úpravách chování prvků na nízké úrovni a dávkové tvorbě simulací. 33

41 5.1. OPNET Obrázek 5.1: Hlavní obrazovky OPNET Project editor Pro rozmístění prvků v prostoru budovy či jiného fyzického prostoru slouží Project editor. Jednotlivé prvky jsou zde graficky znázorněny, je možné je rozmístit na vestavěné mapě v případě simulace velmi rozsáhlých sítí. Při vytváření projektu si určíme použité moduly OM. V mém případě jde o ethernet_adv, wireless_lan_adv a applications. Přípona adv upozorňuje na to, že dané prvky mají plnou škálu možností nastavení Prvky Pro simulaci běžné bezdrátové sítě malého rozsahu jsem využil předdefinovaných prvků. Na drátové síti jsem využil šestnácti portového 100 Mbitového přepínače (ethernet16_switch) a servery s osazenými 100 Mbit rozhraní (ethernet_server). Každý server slouží pro obsluhu jednoho druhu služby (http, ftp). Na bezdrátové části jsem využil 2 prvků a to bezdrátového routeru s funkcí přístupového bodu (wlan_ethernet_router) ve variantě bez možnosti pohybu a klientské stanice bez pohybu (wlan_wkstn_adv). Tyto stanice jsou schopny spouštět kteroukoli z definovaných aplikací Definice aplikace Pro zatížení simulované sítě jsem nadefinoval 2 aplikace, které odpovídají běžnému provozu sítě využívané k připojení k Internetu. Nejčastější činností uživatelů je prohlížení webo- 34

42 5.1. OPNET vých stránek s dynamickým obsahem a v dnešní době velmi populárním vkládaným multimediálním obsahem, druhá činnost je kontinuální přenos dat. V OM je pro vytvoření modelu aplikace použit prvek Aplication Definition. V něm se vytvářejí veškeré aplikace dostupné pro daný scénář. Na obrázku 5.2 je ukázka volby parametrů aplikace. Aplikace může být tvořena z více částí, které využívají sít definovaným způsobem. 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 objektů velikosti od do bajtů. Velikost objektu je náhodně vybrána pro každý přenos. Průměrná velikost webové stránky byla podle služby Alexa 784kB v roce Do statistiky je počítáno 1000 nejčastěji navštěvovaných stránek navštívených uživateli měření Alexa. Do celkové velikosti stránky se nepočítají přenosy multimediálního obsahu (např. webová stránka youtube), proto jsem zvolil horní mez procházených stránek výrazně vyšší než je průměr. Pro srovnání velikost úvodní stránky dne byla bajtů. [19] Aplikace ftp simuluje kontinuální přenos souboru náhodné velikosti v rozmezí od 1 po 700 MB. Pro velké zatížení byl zvolen druh provozu best-effort, který výborně zajišt uje nejkratší možný čas přenosu. Rychlost odesílaných dat ze serveru není nijak limitována. 35

43 5.2. PODMÍNKY SIMULACE 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 účel jsou profily nastaveny v položce Profile Definition. Po každou aplikaci lze definovat více profilů a v každé stanici lze využívat více těchto profilů. Profil určuje, jak často 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 činnost aplikace 30 sekund po začátku simulace. Http_browse provádí každou minutu jedno načtení aplikace http. Tím je simulován provoz poklidného uživatele Internetu. Http_heavy_load provádí start aplikace http každých 10 sekund. Profil ftp_download je spouštěn náhodně v intervalu 60 minut, k přenosu během simulace nemusí dojít. Každá ze stanic má nastaven bud profil http_browse (brouzdař) nebo http_heavy_load (stahovač) a zároveň ftp_download Rozmístění stanic Pro rozmístění stanic v prostoru jsem využil scénáře Office s rozměrem 50 x 50 metrů. K této volbě jsem dospěl na základě výpočtu pokrytí při nasazení obvyklých přístupových bodů a stanic. Za takováto zařízení jsem bral přístupové body i stanice osazené 5 dbi anténami dodržujícími vyzářený výkon daný VO-R/12 a to 20 dbm. Stanice jsou v prostoru rozmístěny náhodně, žádná z nich není definována jako pohyblivá. Ve variantách simulace je stanicím přiřazena párovací rychlost (data rate) odpovídající jejich umístění v prostoru. 5.2 Podmínky simulace Simulaci jsem rozdělil na dva podproblémy a to simulace pro zjištění maximální přenosové rychlosti v ideálních podmínkách a chování v případě nepříznivých podmínkek (signálových a při připojení velkého množství klientů. Pro simulaci maximální rychlosti jsem nastavil tyto podmínky signál umožňující využití maximální párovací rychlosti pro danou normu, rozdělení klientů na stahovače a brouzdaře v poměru 1:1. Simulace čisté g bez G-protection Simulace čisté b Simulace b/g s využitím CTS to self. Při druhé verzi simulací jsem nastavil vždy jednoho velmi aktivního klienta do signálově nevýhodné situace používal nejnižší párovací rychlost svého standardu (6 Mbit u g 36

44 5.3. VÝSLEDKY a 1 Mbit u b). Po protokolové stránce zůstává shodné nastavení s předchozím případem. Pro simulace rušení a vzájemného překryvu buněk není v OM vhodný balíček, a proto jsem simulace tohoto chování neprováděl. 5.3 Výsledky Pro porovnání výsledků simulací jsem využil výpočtu přenosových rychlostí a režie přenosu z knihy. [1] V následujících grafem a tabulce jsou porovnány maximální rychlosti s výsledky simulace. Výsledky simulace potvrdily výkonnostní propad při využití smíšeného užití b a g. bez pomalé stanice s pomalou stanicí max. teoretická rychlost bez G-protection 19,2 16,9 27,3 CTS-to-self 9,4 7,7 13, b 4,7 3,2 5,7 Tabulka 5.1: Průměrné rychlosti simulace v porovnání s maximální rychlostí při dané situaci (v Mbit) Obrázek 5.3: Graf přenosu g bez G-protection 37

45 5.3. VÝSLEDKY Obrázek 5.4: Graf přenosu g při využití CTS to self Obrázek 5.5: Graf přenosu b 38

46 Kapitola 6 Měření V předchozí kapitole jsem některé z nastíněných řešení (kapitola 5) nasimuloval v prostředí OPNET, simulací však nelze ověřit plnění norem ze strany výrobců a chování přístupových bodů v reálném prostředí. Proto jsem se rozhodl některé návrhy ověřit experimentem. Testu jsem podrobil přístupový bod Cisco AP1200 series (dále jen Cisco), který je hojně nasazován v síti Masarykovy Univerzity. Pro porovnání jsem provedl měření zařízení Bullet2 osazené dnes velmi rozšířeným chipsetem AR5007 a využil některých měření z práce [21]. 6.1 Testovaná zařízení Jako hlavní testovací zařízení jsem využil bod Cisco AP1200 series, přesně AIR-AP1231G-E- K9. Jde o přístupový bod s jednou radiovou částí pro pásmo 2,4 GHz a možností výměny modulu pro využití pásma 5 GHz. K připojení do sítě je vybaven ethernetovým portem. Pro nastavení lze využívat konzole operačního systému IOS nebo webového rozhraní. Pro měření bylo výhodné, že daný bod je vyveden v kovovém provedení, které zabraňuje přeslechům mimo anténní systém. Bod je vybaven 2 anténami pro využití diverzity, při mém měření jsem využil pouze hlavní výstup, druhý byl zatlumen 80dB útlumovým členem. Na obrázku je zachyceno zařízení a detail provedení bezdrátové části. Na měření n jsem využil produkt firmy TP-Link TL-WR741ND, plnící normu n v režimu MIMO 1x Testovací prostředí Pro opakovatelný experiment je důležité prostředí s minimalizovaným vlivem náhodných jevů, v případě bezdrátových sítí je tímto jevem rušení od stanic bezdrátových sítí. Proto jsem využil nabídky pana Ing. Tomáše Dulíka a vlastnosti bezdrátových zařízení standardu ověřil na jeho testovací soustavě v laboratořích FAI UTB. Základem měřící soustavy je kalibrovaný signálový analyzér, v ideálním případě osazený balíčky pro UTB disponuje přístrojem Rohde & Schwarz FSV7 s balíčky pro analýzu a/b/g, bohužel v době měření nebyl k dispozici balíček pro n. Přístroj je připojen soustavou vlnovodů a koaxiálních kabelů ke zdroji signálu, v mém případě k testovaným přístupovým bodům, generátoru rušení a klientským stanicím. Pro měření vysílací části zařízení je nejvhodnější mít dané zařízení připojeno přímo k analyzéru a v celé soustavě mít zapojen pouze tento jeden zdroj signálu. Při některých 39

47 6.2. TESTOVACÍ PROSTŘEDÍ Obrázek 6.1: Jednotka Cisco AP 1200 series měřeních byly připojeny do soustavy další stanice a to z důvodu přenosu dat přes jednu připojenou stanici. V takovém případě bylo využito odbočnice s útlumem 6 db. Jako odbočnici jsem využil Broadband Resistive Power Divider od firmy Aeroflex Weinschel, která vkládá do cesty útlum 6 db. Díky nízkému PSV a teplotní stabilitě nezkresluje výsledky měření oproti přímě metodě. S vloženým útlumem je třeba počítat při měření signálové úrovně. Pro měření algoritmu CCA a zjištění odolnosti vůči rušení byl do soustavy přidán generátor. V první fázi měření nebyl dostupný přímo kalibrovaný generátor, a tak jsem využil běžného bezdrátového adaptéru Bullet2 od firmy Ubiquity. Pro dosažení požadované kvality signálu pro měření dle [4] jsem využil programu broadcaster [21]. V prosinci 2011 získalo UTB vector signal generator R&S SMBV100A, který má mnohem větší možnosti nastavení výstupu než Bullet2; provedl jsem tedy kontrolní měření pro porovnání obou měřících 40

48 6.2. TESTOVACÍ PROST R EDÍ Obrázek 6.2: Detail rádiové c ásti vše odstíne no kovem metod. O využití generátoru a rozdílech ve výsledcích se zmin uji v záve ru této kapitoly. V modelové síti byly dále zapojeny pevné a nastavitelné útlumové c lánky. Útlum koaxiálních kabelu je nízký (kolem 0,3 db na metr) a proto by docházelo k pr ebuzení pr ijímací c ásti testovaných zar ízení. Pevné útlumové c lánky mají útlum 10 a 20 db, pro testování pr ijímací c ásti byly použity elektronicky stavitelné c lánky s maximálním útlumem 55 a 103 db. C lánky jsou pr ipojeny k PC pomocí USB, skripty pro obsluhu jsem využil z práce [21] a mírne upravil pro snadne jší obsluhu. Na schématu 6.3 je znázorne no zapojení rádiové síte pro me r ení, fotografie 6.4 dokumentuje reálný stav laborator e. V horní c ásti racku je umíste n analyzér, uprostr ed me r ící sít s osazenými zar ízeními Bullet2 a dole testovací stroje generující provoz. Obrázek 6.3: Schéma rádiové síte 41

49 6.3. MĚŘENÍ EVM Obrázek 6.4: Měřící rack 6.3 Měření EVM Error vector magnitude neboli amplituda chybového vektoru (dále jen EVM) je měření, které určuje, jak přesný je digitální rádiový vysílač, a jak se liší naměřený signál od ideálního. Výstupní signál u ideálního vysílače má všechny konstelační body v ideálních polohách, u reálného zařízení jsou pozice aktuálního signálu posunuty od ideální polohy. Každý vysílač má své vysílání zatížené chybou, do určité míry je možno tuto chybu tolerovat a přijímač zvládne i chybou zatížený signál dekódovat. Hodnota EVM se liší pro jednotlivé modulace, např. pro g a párovací rychlost 54 Mbit je akceptovaná hodnota EVM menší nebo rovna 5,62 %. Matematicky je EVM definováno jako střední kvadratická hodnota chybových hodnot jednotlivých stavů v čase vzorkování. Lze vypočítat dle vztahu 6.5 kde P error je efektivní hodnota výkonu chybového vektoru a P reference je ideální amplituda signálu. [22][23] EVM je kvalitativním parametrem zařízení a ovlivňuje kvalitu přenosu. Při vyšším EVM než stanovuje norma již jsou body konstelačního diagramu těžko rozlišitelné a dochází 42

50 6.3. MĚŘENÍ EVM Obrázek 6.5: Výpočet EVM k častým výpadkům a retransmisím. Častým jevem u zařízení je neudržení parametru EVM při maximálním a velmi nízkém vysílacím výkonu. Je to dáno kvalitou použitých součástek při výrobě rádiové části zařízení. Za výslednou kvalitu signálu je zodpovědný RF koncový stupeň. Při vysokém výkonu dochází k velkému zkreslení vlivem přebuzení koncových zesilovačů (stejný jev nastává např. u zesilovačů zvuku, kdy při přebuzení dochází ke zkreslení zvuku). Každý zesilovač přidává zkreslení do prostupujícího signálu toto zkreslení je nejmenší v pracovním bodě, na který je konstruován. Běžná karta pro pásmo 2,4 GHz je nejčastěji provozována s výkonem kolem mw, proto při nízkých výkonech (v řádu jednotek mw) je již koncový stupeň buzen jen velmi málo a pouze zkresluje procházející signál.[1] Pro nasazení přístupových bodů uvnitř budov je typické osazení všesměrovými anténami se ziskem 2 5 dbi, proto jsem otestoval dodaný přístupový bod Cisco AP1200 při výkonu 25 mw (14 dbm) a 50 mw (17 dbm). Tento výkon je maximálním výkonem doporučeným výrobcem pro běžné nasazení.[30] Režim při měření Pro rychlé a přesné měření je potřeba, aby testované zařízení vysílalo dostatečné množství rámců k analýze. Zprovozněný přístupový bod bez připojených klientů vysílá pouze majáky na rychlosti 1 nebo 6 Mbit (podle zvolené normy). Pro účely měření je ideální režim ad hoc, kdy není třeba připojené stanice k odvysílání všesměrově odeslaných dat. Tento režim však u testovaných zařízení nebyl k dispozici. Aby bylo možné měření uskutečnit, musel jsem u daných zařízení navodit takový stav, při kterém zařízení vysílají. Dále bylo potřeba zabránit zanesení jiných rámců do systému např. od připojených stanic. Protože jsem jako zdroj dat využil všesměrové vysílání (dále jen broadcast) viz níže, musel jsem najít režim zařízení, kdy dojde k řádnému a častému vysílání. U zařízení Bullet2 lze využít běžného režimu Access Point, kdy i bez připojených stanic jsou všesměrově vyslaná data vysílána na párovací rychlosti označené ve webovém rozhraní jako Multicast Rate. Komplikovanější situace nastala u zařízení Cisco, které bez připojení alespoň jedné stanice nevysílá jiné rámce než majáky. Do soustavy jsem tedy musel vřadit odbočnici a připojit zařízení Bullet2 jako klienta. Webové rozhraní Bullet2 jsem přesunul do jiné podsítě, než ve 43

51 6.3. MĚŘENÍ EVM které probíhalo vysílání, a to proto, abych minimalizoval vysílání od klienta a nemožnost odpovědi na broadcast. Při prvotním testování jsem pro vysílání používal program ping v záplavovém režimu, ukázalo se však, že i při nastavení dlouhých packetů je množství vysílaných rámců nízké. Jako náhradu jsem využil programu broadcaster z práce. [21] 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. Při měření parametrů CCA (viz níže) je rušení specifikováno na rámce délky 1024 bajtů uživatelských dat při plném zatížení. Broadcaster vysílá rámce kontinuálně s pevně stanovenou mezerou. Snahou při nasazení broadcasteru bylo simulovat generátor; byla-li tato snaha úspěšná je v závěru této kapitoly Výsledky měření EVM Provedl jsem měření parametru EVM na přístupovém bodu Cisco pro výkonové úrovně 14 a 17 dbm. Při certifikaci zařízení ve zkušebně se provádí měření všech párovacích rychlostí na EVM. V této práci však využívám EVM pouze pro ověření, zda u testovaných zařízení není odolnost vůči rušení a přenosová rychlost ovlivněna nekvalitními parametry rádiové části, proto jsem se rozhodl změřit rádiové karty pouze při rychlosti 6 Mbit a 54 Mbit. V tabulce 6.1 jsou hodnoty EVM zařízení Cisco a porovnání s rádiovou kartou R52. Na obrázku 6.6 je ukázka výpisu z analyzéru, v horní části je vidět nastavení při měření jsou zachytávány rámce rychlosti 54 Mbit modulované 64QAM. Při měření byl vstup zatlumen o 30 db, aby nedocházelo k přetížení vstupu přístroje. Kontrolně jsem provedl měření na kanálech 1, 6 a 11, výsledky se lišily pouze zanedbatelně. Kompletní výsledky měření jsou v příloze. výkon TX (dbm) R52 Cisco 5 1,97 % 1,48 % 14 2,75 % 1,97 % 16 4,23 % 3,17 % 17 4,84 % 3,40 % 18 6,50 % ,13 % - Tabulka 6.1: Výsledky měření EVM pro rychlost 54 Mbit pro různé výkony Bezdrátový přístupový bod splnil parametry EVM s velkou rezervou, změřené hodnoty leží v rozsahu 3,15 až 3,64 %; v porovnání s kartou R52 je vidět, že konstelační diagram je i při plném výkonu dobře čitelný. Prvek Cisco obsahuje kvalitní rádiovou část a je vhodný pro nasazení i při vysokých modulacích a využití plné rychlosti. 44

52 6.4. MĚŘENÍ CCA Obrázek 6.6: Záznam měření EVM Cisco 6.4 Měření CCA Pro přenos dat je potřeba, aby rámce byly odvysílány do prostředí. O kontrolu, zda médium je připravené (volné), se stará (jak již bylo zmíněno v kapitole 5) část fyzické vrstvy CCA. V práci [21] při vytváření rušení vznikl problém, že některé karty nejsou schopny se dostat k vysílání. Při zkoumání tohoto chování jsem došel k názoru, že při nasazení zařízení normy v radiově hustém prostředí není rychlost ovlivněna pouze zarušením přijímací stanice, ale množství rušení ovlivňuje i rychlost vysílání. Fyzická detekce nosné frekvence jako součást fyzické vrstvy má nastaveny parametry, při kterých již je médium indikováno jako obsazené. Pro standard g je tato hodnota -76 dbm. Při detekci čitelné informace o délce obsazení média na začátku vysílacího času je tato informace využita pro odložení vysílání. Takto mohou zařízení provozovaná na stejném 45

53 6.4. MĚŘENÍ CCA kanále koordinovaně soupeřit o přenosové médium. K ovlivnění detekce může docházet i kvůli překryvu z vedlejšího kanálu, jak znázorňuje obrázek 6.7. Přesto, že překryv je pouze částečný a při modulaci OFDM je snaha potlačit postranní produkty modulace, CCA detekuje i tento stav jako obsazené médium. Do jaké míry je tento stav nežádoucí jsem ověřil měřením. Obrázek 6.7: Signál ze dvou zařízení a ve vedlejším kanále Testovací podmínky Jako rušící zařízení z vedlejšího kanálu jsem využil zařízení Bullet2, které vysílá všesměrové rámce bez ohledu na stav média. Schéma zapojení je na obrázku 6.3, rušení mezi přijímací stanicí a rušičkou je znemožněno vysokým útlumem této trasy dvojnásobek útlumu směrem k přístupovému bodu. Datový tok zajišt oval program iperf v UDP režimu, kdy k měřenému zařízení byl přes ethernet připojen iperf server a na připojeném zařízení (bullet2) spuštěn iperf klient. UDP protokol jsem zvolil proto, aby tok směrem k přijímající stanici byl konstantní a vysílání nebylo přerušováno přenosem dalšími ACK (např. od TCP) směrem od stanice k testovanému zařízení. Před testem jsem pro každé testované zařízení určil maximální přenosovou rychlost, při které byly přeneseny všechny programem iperf odeslané packety, a od této rychlosti jsem pak odečítal ztrátu přenosové kapacity. Pro test jsem vybral 2 zařízení, a to Cisco a bezdrátovou kartu AW-GE780 provozovanou pod systémem Mikrotik. Měření jsem neprovedl na zařízení standardu n, důvodem je nevhodné provedení bezdrátových bodů jsou dodávány pouze v plastové krabičce a tak by bylo měření negativně zatíženo chybou vzniklou přeslechy mimo měřící sít. 46

54 6.4. MĚŘENÍ CCA Automatická volba kanálu Při testu detekce obsazenosti média jsem provedl ještě test funkcí pro volbu nejvhodnějšího kanálu (Carrier Busy Test v zařízení Cisco a Smart Select v zařízení Compex WP54AG). Jakékoli podrobnosti od algoritmu pro volbu nejsou veřejně dostupné, proto jsem se zaměřil na výstup této funkce. V tabulce 6.2 je výstup při maximálním vytížení prostředí přenosem na kanále 5 (2432 MHz) u zařízení Cisco. Na základě tohoto výsledku lze říci, že zařízení detekuje obsazení ve více než 50 % pásma zabrané kanály 1 9. Jeho logickou volbou pak bylo vysílání na kanále 13, který přístupovému bodu zajistil nejmenší překryv. I při dalších experimentech vybíral algoritmus nejvhodnější kanál (nejméně rušený), výsledky byly téměř totožné u obou zařízení, a proto ho lze v náhodně obsazeném a nekoordinovaném prostředí doporučit k použití. frekvence (MHz) Carrier Busy % frekvence Carrier Busy % Tabulka 6.2: Carrier Busy Test v zařízení Cisco při plně obsazeném 5. kanále Výsledky měření CCA V této kapitole bych rád shrnul výsledky měření CCA - měření jsem provedl při maximální rychlosti (54 Mbit) na straně měřeného zařízení, rušení bylo rychlostí 6 Mbit (největší doba zabraná vysíláním rámce v modulaci OFDM) a 11 Mbit pro simulaci rušení starším zařízením s modulací DSSS. Pro kontrolu lepší koexistence dvou zařízení s DSSS [21] jsem proměřil ovlivnění při rychlosti 11 Mbit. Potvrdil se problém nastíněný v práci [21], kdy zařízení AW-GE780 při síle signálu -58 dbm ve vedlejším kanále skokově přestává vysílat a rychlost přenosu padá z 29 Mbit na 9 Mbit (ztráta 69 % odeslaných packetů) a s přibývající intenzitou dochází až k přenosu pouhých 2,5 Mbit při -48 (91 % ztrátovost). Chování se nezměnilo ani při rušení pomocí DSSS a proto jsem v testu nepokračoval. Bezdrátový bod Cisco prokázal jiné chování a to pozvolnou ztrátu přenosové kapacity při stoupají úrovni signálu ve vedlejším kanále. Jeho počáteční přenosová rychlost byla mírně nižší (26,5 Mbit), výrazná ztrátovost se při rušení pomocí OFDM objevila až při úrovni -52 dbm (7 % odeslaných dat). V tabulce 6.3 jsou kompletní výsledky měření pro bod Cisco, v grafu 6.8 je znázorněn průběh úbytku přenosové rychlosti. Výsledky pro porovnání s kartou AW-GE780 jsou v příloze. V prosinci, po dodání generátoru signálů na UTB, jsem provedl další měření, kdy rušení nebylo generováno běžnou jednotkou, ale tímto generátorem. Při těchto měřeních se ukázalo, že výsledky při měření CCA se shodují. Proto lze metodiku za práce [21] považovat za 47

55 signál 54 vs 11 Mbit 54 vs 6 Mbit 11 vs 11 Mbit -60 0,0 % 0,0 % 0,0 % -59 0,8 % 0,0 % 0,0 % -58 2,0 % 0,0 % 0,0 % -57 5,0 % 0,5 % 0,0 % ,0 % 1,0 % 0,0 % ,0 % 1,5 % 0,0 % ,0 % 2,0 % 0,0 % ,0 % 4,0 % 0,0 % ,0 % 7,0 % 0,0 % ,0 % 12,0 % 0,0 % ,0 % 30,0 % 7,0 % ,0 % 55,0 % 22,0 % ,0 % 90,0 % 56,0 % ,0 % - 61,0 % ,0 % - 63,0 % Tabulka 6.3: Pokles rychlostí při měření CCA 6.5. MĚŘENI PŘIJÍMACÍ ČÁSTI vyhovující. Ze změřených hodnot je vidět, že vzájemná interoperabilita je nejvyšší při využití DSSS u obou zařízení. Je to dáno menším zaplněním přenosového kanálu u jeho okrajů. Nejhorších výsledků je dosaženo v kombinaci OFDM a DSSS, kdy periodicky se opakující pomodulační zbytky DSSS nutí CCA algoritmus u OFDM vysílače odkládat vysílání. 6.5 Měřeni přijímací části Přijímací část zařízení rozhoduje o tom, zda bude informace přenášená médiem rozeznána od ostatního šumu na trase. Úkolem této práce není měřit hodnoty odolnosti pro běžný šum, ale odolnost vůči rušení od ostatních zařízení stejného standardu. Protože kanálů je v pásmu 2,4 GHz nedostatek a vzájemně se překrývají[1], bylo mou snahou zjistit, jak tento překryv ovlivňuje také přijímací část zařízení. V normě [29] jsou stanoveny minimální hodnoty odolnosti na rušení z vedlejšího kanálu. Jak již bylo zmíněno v kapitole 3.2, jsou stanoveny pro velký odstup kanálů. Proto jsem změřil podle metodiky [21] parametry zařízení Cisco pro odstup středových frekvencí 20 MHz. Metodika udává, že přenos při rušení z vedlejšího kanálu je akceptovatelný do ztrátovosti 8 %. V laboratoři jsem měl možnost nastavit úrovně signálu po minimálním kroku 1 db. Pokud byla ztrátovost vyšší než 8 %, předchozí měření s vyšším zatlumením jsem bral jako konečné pro porovnání s normou. 48

56 6.6. MĚŘENÍ PŘENOSOVÝCH RYCHLOSTÍ Obrázek 6.8: Graf poklesu přenosové rychlosti v závislosti na síle signálu z vedlejšího kanálu Výsledky měření přijímací části V grafu 6.9 jsou výsledky pro všechny rychlosti. V porovnání s předepsanými hodnotami zařízení Cisco plní normu ve všech hodnotách. Kompletní výsledky jsou v příloze. 6.6 Měření přenosových rychlostí Pro ověření změřených parametrů přijímače a vysílače a ověření schématu kanálového rozložení jsem provedl testy přenosových rychlostí. Rychlost přenosu jsem si stanovil jako hlavní parametr při nasazení ve vysokém zatížení, při započítání vlivu ostatní optimalizací lze pak při návrhu stanovit maximální počet účastníků pro každý přístupový bod Měřené hodnoty a scénáře Výběr měřených situací jsem přizpůsobil praktickému nasazení, jako vzor jsem použil bezdrátovou sít na kolejích Klácelova v Brně. Pro pokrytí budovy je využito bodů Cisco, umístěnými nad sebou v jednotlivých patrech. Pokrytí je realizováno v prostředí, kde jednotliví uživatelé jsou odděleni od vysílače nejméně jednou stěnou. Aby bylo dosaženo požadovaného pokrytí, jsou přístupové body vybaveny externími anténami. V takovémto prostředí dochází k plnému využití všech kanálů. Proto jsem se rozhodl změřit přenosové rychlosti, kterých lze na jeden přístupový bod dosáhnout, pokud jsou okolní kanály využity. Přístupové body jsou řízeny centrálním prvkem WLAN Controller, 49

57 6.6. MĚŘENÍ PŘENOSOVÝCH RYCHLOSTÍ Obrázek 6.9: Výsledky měření ACR který obstarává rozložení kanálů a shromažd uje statistiky o přenosu. Podle informací od správců využívají kanálování v doporučených vzdálenostech pro americký trh kanály 1, 6 a 11. Proměřil jsem následující hodnoty v testovací soustavě: Přenosová kapacita při provozu bez rušení pro g a n Přenosová kapacita při využití kanálu o středové frekvenci + 5 MHz od rušení Přenosová kapacita při využití kanálu o středové frekvenci + 20 MHz od rušení Přenosová kapacita při využití kanálu o středové frekvenci + 25 MHz od rušení Přenosová kapacita při využití kanálu o středové frekvenci + 40 MHz od rušení Podmínky testu Pro testy jsem opět využil testovací laboratoře jako v předchozích případech, některá měření jsem provedl v uzavřených sklepních prostorách bez přítomnosti jiných signálů v měřeném pásmu. Tato skutečnost je vždy uvedena u dané tabulky. Přenosovou rychlost jsem pro maximální vytížení měřil protokolem UDP programem iperf. Nastavení v přístupovém bodě 50