Přenosové technologie Wi-Fi a WiMAX

Transkript

1 Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra informačních technologií a elektronického obchodování Přenosové technologie Wi-Fi a WiMAX Diplomová práce Autor: Tomáš Petržílka Informační technologie a management Vedoucí práce: Ing. Vladimír Beneš Praha duben, 2010

2 Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci zpracoval samostatně a s pouţitím uvedené literatury.... V Praze dne Tomáš Petrţílka

3 Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce panu Ing.Vladimíru Benešovi za odborné vedení a cenné informace, které mi poskytoval při zpracování diplomové práce.

4 Anotace práce Práce pojednává o bezdrátových komunikačních technologiích, které nás obklopují a jsou součástí našeho kaţdodenního ţivota. Snaţí se popsat a přiblíţit komunikační technologii Wi-Fi a pochopit základy bezdrátové komunikace. Shrnuje základní přehled pouţívaných zařízení ve Wi-Fi technice. Popisuje nadějnou nastupující komunikační technologii WiMAX včetně pouţívaných zařízení. V poslední části popisuje návrh bezdrátové komunikační sítě s pouţitím obou technologií a shrnuje porovnání navrhnutých řešení. Abstract Work deals with wireless communication technologies that surround us and are part of our everyday lives. Attempts to describe and communication technology to bring Wi-Fi and understand the basics of wireless communications. Summarizes the basic overview of the devices in the Wi-Fi technology. Describes a promising emerging WiMAX technology, including communication equipment. In the last section describes the design of wireless communication networks, using both technology and summarizes the comparison of proposed solutions.

5 Obsah Úvod Bezdrátové technologie Mobilní sítě - WAN WMAN a WLAN WPAN Wi-Fi Charakteristika přenosu signálu Fresnelova zóna Modulace Vysílací kanály Řízení přístupu k médiu Zabezpečení Wi-Fi sítí Limit ČTU - vyzářený výkon Přehled zařízení Wi-Fi Access pointy Klientské adaptéry Moţnosti zapojení aktivních prvků Pasivní prvky Antény Kabely Konektory WiMAX Základní specifika d Řízení komunikace Řízení výkonu a vyuţívaná frekvenční pásma Modulace Dosah Kvalita sluţeb - QoS Zabezpečení Licence pro provoz WiMAX technologie Přehled zařízení WiMAX Základnové stanice Klientské stanice Pasivní prvky a příslušenství Návrh Wi-Fi a WiMAX sítě a jejich porovnání (případová studie) Návrh Wi-Fi sítě Vybraný hardware Logika zapojení Výpočet trasy Ekonomické zhodnocení Návrh WiMAX sítě

6 6.2.1 Vybraný hardware Logika zapojení a výpočet trasy Ekonomické zhodnocení Porovnání navrhnutých řešení Seznam použité literatury Seznam tabulek a obrázků Seznam použitých odborných termínů a zkratek Přílohy

7 Úvod V moderní společnosti jsou informace šířeny pomocí masových medií, mezi která mimo jiné patří i internet. Masová komunikace přinesla obrovský pokrok v rámci vědy a vývoje, politiky, obchodování, komunikace. Můţeme tedy říci, ţe současnou podobu společnosti lze charakterizovat jako informační společnost. Cílem informační společnosti je zefektivnění procesů, zvýšení kvality a blahobytu ţivota. Základem je vyuţívání digitálních technologií, jako jsou telekomunikace, internet a to k vytváření, uchování a přenosu informací. Zpočátku se počítače propojovaly pouze datovými kabely, coţ značně omezovalo dostupnost a vylučovalo jakoukoliv mobilitu. Bezdrátové sítě jsou tedy dalším krokem ve vývoji přenosu dat, které podtrhují podstatu informační společnosti. Jde především o mobilitu, která se stala současným trendem. Zároveň lze touto technologií spojit body vzdálené i několik kilometrů. V současné době jsou bezdrátové sítě robustní řešení a v případě pouţití kvalitních komponent, nabízejí dobrou datovou propustnost, mobilitu a náklady na jejich zprovoznění jsou přijatelné. Celkově segment bezdrátových technologií je dnes jiţ poměrně známý a dostupný. Práce popisuje hlavně princip fungování sítí Wi-Fi a WiMAX a vysvětluje důleţité pojmy. Představí Vám hardware nutný k uskutečnění bezdrátového propojení počítačů a také nastíní, jak by mohl vypadat případný návrh Wi-Fi a WiMAX sítě v praxi. Součástí studie je také zhodnocení obou technologií. Toto téma jsem si vybral, protoţe je mi velmi blízké a je úzce spojeno s mou profesí

8 1 Bezdrátové technologie Vývoj v oblasti nových technologií je velkou proměnou. Zatímco se na trh uvádí nejnovější komunikační technologie, jejich vývojáři jiţ testují další nástupce. Tato kapitola se zabývá představením vybraných komunikačních technologií a jejich základním popisem. Některé výrazy budou vysvětleny v dalších kapitolách pro lepší pochopení problematiky. Obrázek č. 1 shrnuje pouţití konkrétních technologií v závislosti na ploše pokrytí, pro kterou jsou primárně standardem určeny či ve skutečnosti vyuţívány. Obrázek č. 1: Zařazení vybraných bezdrátových technologií dle typického pouţití WAN - Mobilní sítě WMAN 2G, 3G, LTE, 4G MBWA , WiMAX e/m Wi-Fi WiMAX WLAN Wi-Fi WPAN ZigBee Bluetooth UWB Zdroj: vlastní tvorba 1.1 Mobilní sítě - WAN První generace (1G) roku 1980 byla zaloţena na analogovém přenosu hlasu pomocí standardů NMT (Nordic Mobile Telephone) na frekvencích 450 a 900 MHz a standardu AMPS (Advanced Mobile Phone System) pouţívaném především v USA s pracovní frekvencí 800MHz. V České republice byl standard NMT-450 vyuţíván od roku 1991 do roku 2006, kdy byl ukončen. 1G sítě slouţily pouze pro přenos hlasu a nenabízely ţádné datové sluţby. Druhá generace (2G) se objevila počátkem 90. let. Tato generace mobilních sítí byla zaloţena pouze na digitálním přenosu hlasu. Datové sluţby na počátku - 8 -

9 nebyly implementovány. V oblasti 2G jsou definovány standardy GSM (Global System for Mobile Communications), CDMAone (Code Division Multiple Access) a D-AMPS (Digital Advanced Mobile System) pouţívané v USA. GSM se stal nejvíce pouţívaným standardem v mobilním světě. GSM je zaloţen na principu buněk, účastníci se připojují v rámci jednotlivých buněk. Buňky se liší velikostí, rozlišujeme: makro (jedná se o největší buňky v mobilní síti s průměrem v rozmezí od 2 do 20 km, jejich aktivní prvky najdeme nad úrovní střech), mikro (buňky o průměru 200 m aţ 2 km) a piko (průměr pikobuňky se pohybuje v rozmezí od 4 m do 200 m, jejich vysílací stanice se umísťují uvnitř objektů). Sousedící buňky pouţívají odlišné frekvence. GSM vyuţívá pracovní pásma 900 a 1800/1900 MHz. Paralelně byl vyvinut standard CDMAOne také označován jako IS-95. Jedná se o digitální rádiový systém zaloţený na šíření více digitálních signálů pomocí jediného média, přičemţ kaţdý signál je rozpoznán na základě unikátního kódování (PN kód). CDMA vyuţívá pracovní frekvenci 450 MHz a je pouţit pro datové sluţby a pouţíván odděleně od GSM. Největším poskytovatelem této technologie byla společnost Eurotel dnes jiţ Telefonica O2. Na půl cesty, jinak také (2,5G) reprezentuje GPRS (General Packet Radio Service) standard provozovaný v rámci GSM (Global System for Mobile Communications). Jedná se o mobilní datovou sluţbu, která umoţňuje uţivatelům přístup na internet, zasílání ů a různé formy online komunikace. GPRS je paketově přepínaný přenosový kanál, který sdílí více uţivatelů. GPRS je sluţbou zaloţenou na "best effort", tedy negarantuje počet slotů pro uţivatele. GPRS měl pokrývat ostatní standardy, tedy i GSM, situace se však obrátila ve prospěch GSM, do kterého bylo zakomponováno GPRS. GSM síť funguje tak, ţe prioritně přiděluje sloty hovorům a aţ poté uspokojuje zájemce o GPRS. Další přenosovou technologií typickou pro 2,5G resp. 2,75G je EDGE (Enhanced Data for GPRS Evolution). EDGE je technologie pro vysokorychlostní datové přenosy, která se stala dalším stupněm ve vývoji GSM sítí. Vyuţívá nově modulaci 8-PSK (osmistavová fázová modulace), jeţ umoţňuje přenos více informačních bitů neţli modulace GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) pouţitá u GPRS. U EDGE je zcela předělána struktura kódovacích schémat. Jedná se o devět kódovacích schémat rozdělených do třech skupin na základě přístupu k opravě chyb v případě chybného přenosu dat. EDGE je více odolná vůči šumu a sníţené intenzitě signálu neţ GPRS

10 V roce 1999 přichází třetí generace (3G) resp. 3G standard dle ITU 1 nazvaný IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Je definováno několik standardů, které nabízejí kvalitní hlasové, ale také vysokorychlostní datové sluţby. Motivací bylo vytvořit jednotný systém umoţňující snadnou integraci nových sluţeb, paralelní chod více sluţeb, efektivně vyuţívat přidělené frekvenční pásmo a nabízet vysokou kvalitu vysílání. IMT-2000 definuje několik 3G standardů: CDMA2000, W-CDMA (UMTS), TD-SCDMA, DECT, UWC-136. Standard DECT lze z dalšího podrobnějšího popisu vyřadit, jelikoţ byl zamýšlen pro vytváření telefonních hotspotů a dle ITU ho nelze pouţít pro plošné pokrytí. UWC-136 je jen jiný název pro EDGE, které bylo tímto posunuto i do specifikace třetí generace mobilních sítí. Z toho vyplývá, ţe v rámci nových standardů umoţňujících plošné pokrytí na základě licencí pro telefonní operátory jsou definovány tři standardy a to CDMA2000, W-CDMA (Wideband-CDMA) resp.umts (Universal Mobile Telecommunication System) a TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access). CDMA2000 je jinou podobou původního CDMAOne pouţívaného v 2G sítích. CDMA2000 nabízí několik pracovních pásem a to: 450,800,1700,1900 a 2100 MHz. V rámci CDMA2000 bylo definováno několik vývojových stupňů. Prvními jsou CDMA2000 1xRTT s přenosovou rychlostí aţ 307 Kb/s a CDMA2000 3xRTT s přenosovou rychlostí aţ 2 Mb/s. Dále byla definována CDMA2000 1xEV-DO, která pouţívá oddělené frekvence pro hlas a data s maximální přenosovou rychlostí 2,44 Mb/s a CDMA2000 1xEV-DV, která integruje hlas s datovými sluţbami, jako jsou videokonference a video do stejného frekvenčního kanálu s propustností do 5 Mb/s. Situaci přehledně popisuje obrázek č ITU (International Telecommunication Union) Mezinárodní telekomunikační unie zajišťuje provoz globálních telekomunikačních sluţeb včetně jejich specifikací a vývoje

11 Obrázek č. 2: CDMA technologie mění svou podobu CDMA 2G 3G CDMAOne CDMA2000 IS-95A: 14,4kbps IS-95B: 64kbps CDMA2000 1xRTT: 307kbps CDMA2000 3xRTT: 2Mbps CDMA2000 1xEV-DO: 2,44Mbps CDMA2000 1xEV-DV: 5Mbps Zdroj: vlastní tvorba W-CDMA nebo také UMTS je dalším právoplatným standardem z rodiny 3G zaloţené na spolupráci Japonska a Evropy. UMTS je dále moţné dělit na FDD (Freqency Division Duplex) a TDD (Time Division Duplex). FDD vyuţívá odlišný kanál pro uplink a pro downlink. TDD vyuţívá pro uplink i downlink stejný kanál s časovým posunem. UMTS FDD, nebo také W-CDMA je nejvíce nasazovanou technologií v rámci Evropy. UMTS TDD je označována jako TD-CDMA. V této problematice se můţeme setkat s dalšími pojmy jako např. TDMA (Time Division Multiple Access) a FDMA (Frequency Division Multiple Access). Jedná se o komunikační schéma v mobilních sítích. TDMA je zaloţena na vícenásobném přístupu časovým dělením, systém definuje frekvenci a její počátek a konec pomocí intervalu, v němţ můţe být kanál vyuţíván. Výhodou tohoto přístupu je obsluha více uţivatelů v rámci jednoho trancieveru a také úspora elektrické energie díky přerušovanému vysílání. Vzniklé časové intervaly mohou být vyuţity pro vyhledání základnových stanic v okolních buňkách, a tak napomoci efektivnějším přechodům. FDMA je zaloţena na vícenásobném přístupu frekvenčním dělením, coţ vyţaduje přesné nastavení frekvence a modulace. V případě FDMA je nutno pouţívat drahý hardware (frekvenční syntezátory). Jednotlivé frekvenční kanály jsou od sebe velmi

12 blízko, správným nastavením musí být zabráněno interferencím 2.TD-SCDMA pracuje na bázi TDD/TDMA a synchronního CDMA. Pracuje tedy na kombinaci frekvence, časového slotu a kódu. TD-SCDMA můţe také vyuţívat tzv. chytrých antén a dalších technologií ke zvýšení kapacity systému. Jako 3,5G je označován další vývojový krůček v datových přenosech v rámci 3G sítí a jejím HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access). HSDPA rozšiřuje moţnosti UMTS FDD ale i UMTS TDD. Jedná se o zvýšení přenosové rychlosti pro downlink. Jedná se o inovace v architektuře, kde bylo pouţito nových mechanizmů, které vedou ke sníţení latencí a zvýšení přenosové kapacity. V rámci HSDPA je definováno několik variant, které se liší v maximální propustnosti. První verze HSDPA nabízí max. přenosovou rychlost 1,8 Mbps, druhá verze HSDPA1 nabízí aţ 3,6 Mbps a zatím poslední verze HSDPA2 nabízí 14,4 Mbps. Netrvalo dlouho a objevil se zde další protokol v rámci 3,5G. HSUPA (High-Speed Uplink Access) jde o velmi podobnou technologii jako je HSDPA, resp. je to logický vývojový krok pro urychlení uplinku. W-CDMA, které se pouţívá pro odesílání v kombinaci s HSDPA má své limity a bylo potřeba tento nedostatek odstranit. HSUPA nabízí v základní verzi přenos maximálně do 1,4 Mbps a ve vyšších verzích max. 5,7 Mbps. Obě technologie HSDPA a HSUPA jsou označovány jako HSPA (High Speed Packet Access). V současnosti se jiţ mluví o technologii HSPA+, která posouvá hranici přenosových rychlostí běţného HSPA. Navýšení rychlosti přenosu dat jsou výsledkem pouţití dokonalejšího a mnohem efektivnějšího kódování 64QAM s vyuţitím více antén pro příjem a vysílání. Situaci vývoje HSPA sluţeb s jejich propustností popisuje obrázek č Interference vzájemné frekvenční ovlivnění

13 Obrázek č. 3: Evoluce technologie HSPA Zdroj: LTE (Long term Evolution) je označení pro mobilní sítě blízké budoucnosti. Přibliţuje se pomyslným 4G sítím. Síť LTE má nabídnout aţ 100 Mbps pro download a 50 Mbps pro upload v rámci šířky pásma 20 MHz. Podpora 200 uţivatelů na buňku. Měla by být schopna zajistit komunikaci aţ do 500 km/h s vysokým výkonem do 120 km/h. Má podporovat flexibilní vyuţití kmitočtových pásem a různé šířky kanálů od 1,4 MHz aţ do 20 MHz s podporou jak FDD, tak TDD. Část standardu LTE je navrţena také pro zajištění mobility mezi sítěmi určenými pro mobilní operátory a např. sítěmi WiMAX. Mezi hlavní výhody má patřit vysoká propustnost, nízké latence, podpora FDD a TDD na stejné platformě, jednoduchou architekturu, která má vést k nízkým provozním nákladům a bezproblémový přechod mezi buňkami jiných standardů jako: GSM, cdmaone, W-CDMA, CDMA2000. Pojem 4G je pouţíván často s výrazem LTE, avšak pravdou zůstává, ţe LTE ještě do 4G nemíří. 4G síť má jasné poţadavky na přenosovou rychlost a to pro plně mobilní stanice definuje minimálně 100 Mbps a v rámci stacionárního provozu 1 Gbps. Tyto nároky by měla splňovat aţ technologie LTE-Advanced a mobilní WiMAX m. Situaci, kam veškeré bezdrátové sítě směřují, přehledně shrnuje obrázek č

14 Obrázek č. 4: Bezdrátové standardy v čase Zdroj: WMAN a WLAN Hlavními zástupci pro bezdrátové lokální a metropolitní sítě jsou technologie Wi-Fi a WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Dalo by se říci, ţe Wi-Fi je průkopníkem ve světě bezdrátových technologií a to hlavně díky neuvěřitelnému rozšíření po celém světě. V roce 1999 byla společnostmi: Nokia, Symbol Technologies, 3Com, Aironet, Intersil a Lucent Technologies zaloţena Wi-Fi Alliance. Cílem byla správa a řízení celosvětových standardů pro lepší kompatibilitu v rámci WLAN. Wi-Fi Alliance vydává certifikáty pro standardy x (Wi-Fi CERTIFIED) a tím zaručuje, ţe zařízení takto označená splňují veškeré poţadavky na standard Wi-Fi a splňují podmínky pro interoperabilitu 3. WiMAX reprezentuje standard , který byl vytvořen s cílem umoţnit v rámci měst přístup k bezdrátovému internetu s vysokou spolehlivostí. O rozvoj a certifikaci se stará WiMAX Forum. Oproti Wi-Fi nabízí WiMAX v dalších revizích standardu i mobilní verzi, která posouvá tuto technologii jiným směrem a to do sítí mobilních operátorů pro standard 4G. Obě technologie byly v rámci této diplomové práce 3 Interoperabilita schopnost systémů spolupracovat

15 vybrány k vzájemnému porovnání a to z důvodu jejich podobnosti a moţnosti jejich nasazení běţnými uţivateli. Jejich bliţší specifikací se zabývají další kapitoly. 1.3 WPAN Bluetooth je definováno v rámci standardu pro WPAN (Wireless Personal Area Network). Komunikace v síti Bluetooth je řízena pomocí hlavní jednotky tedy jakéhosi Access Pointu - AP, který zajišťuje komunikaci mezi dalšími připojenými zařízeními. AP alokuje časové úseky pro daný typ komunikace (asynchronní či synchronní) a to prostřednictvím TDMA. Bluetooth vyuţívá pro vysílání i příjem TDD. Je zaloţena na přístupové metodě FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). V rámci sítě Bleutooth můţe být připojeno pouze 8 zařízení. Pracovní frekvence je v rozsahu 2,4 GHz 2,4835 GHz. Šířka kanálu je 1MHz, tedy máme k dispozici 79 kanálů. Maximální propustnost je aţ 2.1 Mbps. Pro zabezpečení vyuţívá 128-bitový klíč WEP (Wired Equivalent Privacy). Dosah je závislý na výkonu daného zařízení. Standard definuje tři třídy zařízení, viz. tabuka č. 1. Tabulka č. 1: Dosah jednotlivých tříd zařízení bluetooth Třída zařízení Výstupní výkon Dosah 1 100mW 100m 2 2,5mW 50m 3 1mW 1m Zdroj: vlastní tvorba ZigBee je definovaná v rámci standardu a byla zpočátku zamýšlena jako konkurence Bluetooth, i kdyţ její přenosové moţnosti jsou značně omezené. Standard ZigBee rozlišuje dva druhy zařízení, FDD (Full-Functional Device), tedy zařízení, které nabízí všechny funkce a RFD (Reduce-Functionality Device), jeţ nabízí pouze omezené funkce. V síti ZigBee musí být vţdy přítomno alespoň jedno zařízení viz výše a řídící jednotka. Topologie v ZigBee jsou hvězda, strom, nebo jejich kombinace. Síť podporuje aţ 254 zařízení připojených k jedné řídící jednotce. Standard umoţňuje práci nejen v pásmu 2,4 GHz, ale také v pásmu 915 MHz a 868 MHz. V pásmu 2,4 2,4835 GHz je moţno vyuţít aţ 16 přenosových kanálů s maximální propustností 250 kbps. Pro pásmo 868 Mhz je vyhrazen pouze jeden kanál s maximální propustností 20 kbps. V pásmu 915 MHz je

16 moţno vyuţít 10 přenosových kanálů s šířkou 2 MHz při maximální propustnosti 40 kbps. Dosah standardu je aţ 75 metrů. Vyuţití této technologie je spíše v průmyslovém odvětví (dálkově ovládaná topení, osvětlení, senzory, meteostanice, audio a video zařízení) UWB (UltraWideBand) je technologie určená pro širokopásmové přenosy na krátkou vzdálenost. Motivací bylo vytvořit standard v rámci WPAN s propustností 110 Mbps a více. Mezi přednosti UWB patří její odolnost vůči odposlechu a rušení a v neposlední řadě také fakt, ţe se nijak zásadně neovlivňuje s jinými typy bezdrátových sítí, jelikoţ má mnohonásobně niţší výkon např. neţ Wi-Fi zařízení, tedy Wi-Fi přijímači se bude UWB síť jevit jako šum. Přenos je zaloţen na základě digitálních pulsů v rámci vysokého počtu přenosových kanálů s dokonale přesným načasováním mezi přijímačem a vysílačem. Pro standard bylo definováno frekvenční pásmo od 3,1 do 10,6 GHz. V současnosti tato technologie zaţívá krizi, jelikoţ její vývoj jde velmi pomalu, a několik zainteresovaných společností od tohoto projektu odstoupilo. Vše by se mělo vyjasnit na konferenci ICUWB2010 (International Conference on UWB), která se bude konat v Nanjingu na konci měsíce září tohoto roku

17 2 Wi-Fi IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - ústav elektrotechniky a elektroniky je mezinárodním neziskovým profesním sdruţením pro rozvoj technologií souvisejících s elektřinou. Z celosvětového hlediska má nejvíce členů technické profese, a to více neţ členů v přibliţně 160 zemích. Na webových stránkách o sobě píší: IEEE je největším profesním sdruţením v rozvoji inovací a technologické kvality ve prospěch lidstva. IEEE je důvěryhodný "hlas" pro strojírenství, výpočetní a informační technologie po celém světě. 4 Normy IEEE jsou označeny čísly. IEEE x dále jiţ jen je skupina bezdrátových síťových norem charakterizovaných pouţíváním rádiového spektra. Normy sledují pravidla stanovená institutem IEEE, jimiţ se řídí řada síťových norem. Tato větší skupina norem je označena číslem Tabulka č. 2: Přehled standardů x Standardy Pásmo Modulace Max. teoretická rychlost (Mbit/s) ,4 FHSS, DSSS, IrDA a/y 5/3,7GHz OFDM b 2,4GHz DSSS g 2,4GHz OFDM, DSSS n 2,4/5GHz MIMO-OFDM aţ 600 Zdroj: vlastní tvorba (1997) standard pro bezdrátové sítě LAN, jeţ nabízí 2 Mbit/s s přenosem v pásmu 2,4 GHz za pouţití modulace FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) nebo DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) a (1999) rozšíření původního standardu , teoretická přenosová rychlost je max. 54 Mbit/s v pásmu 5GHz a pouţívá ortogonální frekvenční multiplex - schéma kódování. 4 Zdroj: 5 Zdroj:

18 802.11b (1999) rozšíření , zajišťuje přenos 11 Mbps v pásmu 2,4 GHz b pouţívá pouze DSSS g (2003) tento standard se pokouší spojit to nejlepší z obou a a b, propustnost je aţ 54Mbit/s v pásmu 2,4GHz a je zpětně kompatibilní se standardem b n (2009) navazuje na předchozí normy s cílem přiblíţit se propustnosti jako v ethernetových sítích a to za pomocí nové technologie (MIMO). Standard n je v poslední době největší novinkou v moderních Wi-Fi zařízeních. Další nezmíněné standardy jsou jen doplňky či jinak rozšiřují standardy předchozí. Za zmínku stojí standard e, který definuje QoS (Quality of Service) 6 a rozšiřuje tak a a b/g specifikace. 2.1 Charakteristika přenosu signálu Wi-Fi vyuţívá pro přenos dat pásma 2,4 a 5 GHz. Data jsou modulována a přenášena po základní nosné frekvenci. Čím vyšší nosná frekvence, tím vyšší přenosová rychlost. Délku vlny pro pásmo 2,4 GHz pro standard b lze vypočítat podle vztahu kde c - rychlost [m/s] f - frekvence [Hz] λ - vlnová délka [m] v případě elektromagnetických vln rychlost c zastupuje rychlost světla c = 300,000 km/s 6 QoS (Quality of service) kontrolní mechanismus zabezpečující kvalitu přenosu prioritních sluţeb dle nastavených parametrů

19 Vlastní výpočet: f = 2,4 GHz = 2,400,000,000 cyklů/s = 3*10 8 / 2,4*10 9 = 1,25*10-1 m = 12,5 cm platí pro 2,4 GHz V případě pásma 5 GHz je situace obdobná: λ = 3*10 8 / 5*10 9 = 0,6*10-1 m = 6 cm platí pro 5 GHz Rozměr vlnové délky je poměrně důleţitý ukazatel: větší délka vlny - větší dosah, větší délka vlny - lépe prochází skrz a kolem předmětů (překáţek), kratší délka vlny - přenese více dat. Delší vlnové délky (tedy niţší frekvence) vlny mají tendenci pronikat lépe předměty neţ kratší vlny (tedy s vyšší frekvencí) s kratší vlnovou délkou. Jako příklad můţe poslouţit FM rádio ( MHz), které snadno prochází budovami, zatímco kratší vlny GSM standardu (na frekvencích 900 MHz či 1800 MHz) mají větší problémy projít skrz budovy, v některých případech jsou i hluchá místa. Elektromagnetické vlny, které procházejí nějakým materiálem, jsou buď oslabeny, či utlumeny. Síla utlumení je závislá na jejich frekvenci a materiálu, kterým procházejí. Běţná okenní skla propouštějí světlo, zatímco specielní skla pouţitá u slunečních brýlí odfiltrují větší podíl intenzity světla a také ultrafialové záření. Absorpční koeficient se pouţívá k označení materiálu, který tlumí záření. Pro elektromagnetické vlny jsou definovány dva základní absorpční materiály. Kov elektrony se mohou v kovech volně pohybovat a snadno se rozptýlit, proto absorbují energii procházející vlny. Voda elektromagnetické vlny při styku s vodou vytlačují molekuly vody, a tak přicházejí o svou energii

20 V případě vody je situace malinko komplikovanější, kaţdá leč tenká vrstva vody ubere na výkonu dané vlny. V případě vody nelze opomenout fakt, ţe voda můţe být v různých formách: déšť, mlha, nízko poloţené mraky. Toto vše bude v praxi stát v cestě rádiovému vlnění. Výrazné změny v rámci těchto vlivů mohou bezdrátový spoj učinit nestabilním. Existují i další materiály, které mají sloţitější absorpční vliv na šíření rádiových vln. U stromů a dřeva, závisí mnoţství absorpce na tom, kolik vody obsahují. Staré mrtvé dřevo je více či méně transparentní, vlhké čerstvé dřevo bude absorbovat značnou část elektromagnetických vln. Odraz rádiových vln se dá přirovnat k odrazu světla. Úhel odrazu vlny od překáţky je stejná jako úhel dopadu, tuto skutečnost znázorňuje obrázek č. 5. Obrázek č. 5: Odraz elektromagnetických paprsků Zdroj: Ve srovnání s 2,4 GHz je frekvence 5 GHz mnohem více náchylná na překáţky kladené v její cestě, proto se také pouţívá hlavně ve venkovních prostorách u páteřních spojů s dobrou viditelností a minimem překáţek. Za zmínku ještě stojí fakt, ţe standardy b a a byly vytvořeny ve stejném roce Výroba 5 GHz zařízení byla však nákladnější, proto se 2,4GHz pásmo rozšířilo rychleji a to právě díky pouţití v domácnostech. 5 GHz zařízení se masově začala v ČR prodávat na přelomu roku LOS (Line of sight) je termín, který popisuje pomyslnou čáru (ničím nepřerušenou), která by měla vzniknout mezi bodem A a B, jeţ chceme propojit. LOS je poměrně zásadním kritériem pro návrh kvalitního bezdrátového spoje. Proto většina profesionálních firem při instalaci bezdrátových pojítek pouţívá laserovou techniku, která jim umoţní přesné zaměření přípojných míst v kontextu s LOS. Rádiové vlny se však nešíří pouze po této pomyslné přímce, ale i v prostoru kolem ní. Touto problematikou se zabývá tzv. Fresnelova zóna

21 2.2 Fresnelova zóna Celková problematika Fresnelovy zóny je poměrně sloţitá, avšak podstatu lze snadno pochopit. Dle Huygense 7 a Fresnela v kaţdém bodě čela vyzářené vlny vzniká nová kruhová vlna. Jakmile opustí rádiové paprsky anténní reflektor, rozšiřují se. Vlny jedné frekvence se navzájem ovlivňují. Teorie Fresnelovy zóny se zaměřuje na pomyslnou přímku (LOS) mezi bodem A a B a také na prostor okolo této přímky, který ovlivňuje dle dané situace více či méně dosaţení bodu B. Některé vlny se šíří přímo po této pomyslné přímce z bodu A do bodu B, zatímco jiné vlny mimo tuto osu. V důsledku toho je jejich cesta delší a mají za následek fázový posun, který tímto vznikne mezi přímo a nepřímo šířenými vlnami. Kdyţ je fázový posun o jednu celou vlnovou délku, zapříčiní vznik pozitivní konstruktivní interference 8. Existuje však také pojem destruktivní interference a ten vzniká ve chvíli, kdy se vlny nesejdou, coţ vede k jejich vyrušení. Pouţitím tohoto přístupu a pomocí výpočtu zjistíme, ţe okolo přímky mezi body A a B se vytvářejí kruhové zóny, které přispívají k dosaţení bodu B. Jednou z nutných podmínek v pásmu 2,4GHz je přímá viditelnost mezi přijímací a vysílací anténou. Uvaţujme o spojení bod-bod viz obrázek č. 6. Signál, který se přenáší mezi anténami, má tvar doutníku. Tento tzv. doutník je Fresnelova zóna. Obrázek č. 6: Fresnelova zóna Zdroj: Christiaan Huygens a Jean Fresnel holandský a francouzský fyzik, kteří se podíleli na metodě analýzy problematiky šíření vln. Odtud název Fresnelova zóna. 8 Konstruktivní interference spojení dvou vln v jednu, jeţ vede k posílení daného vlnění resp. sečtení

22 Překáţky, jakými jsou například stromy, budovy a kopce, by neměly zasahovat do Fresnelovy zóny. Objekty, které zasahují jen z části do Fresnelovy zóny, většinou výrazně nesníţí úroveň signálu. Jejich zásah zapříčiní nárůst ruchů, které se podílejí na kvalitě přenášeného signálu. Pokud zasahuje objekt do Fresnelovy zóny tak, ţe ji skoro přeruší, dojde k výpadkům ve spojení. S tímto je potřeba počítat jiţ na začátku a zvolit vhodné umístění antén tak, aby nebyl signál ničím rušen. Průměr Fresnelovy zóny lze vypočítat dle vzorce, v běţných podmínkách postačí přehledová tabulka. Tabulka č. 3: Průměr Fresnelovy zóny Vzdálenost m Průměr m 1,8 2,5 3,1 3,6 4 4,7 5,6 6,2 6,9 8 9,1 9,8 11,3 Zdroj: vlatní tvorba

23 2.3 Modulace Norma udává, jakým způsobem se přenáší rádiový signál v síti Wi-Fi na fyzické a spojové vrstvě modelu OSI ( FHSS, DSSS, IR, OFDM) FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum (max. 2 Mbps) DSSS Direct Sequence Spread Spectrum b/g (2 Mbps, 5,5 Mbps, 11 Mbps, 25Mbps) IrDA Infrared Data Association - IrDA-4M (4 Mbps) OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing a (1999) a g (2003) 10 MIMO multiple-input and multiple-output n (2009), /e, 3GPP/ 3GPP2 Technika rozprostřeného spektra vyuţívá nízkého výkonu signálu, jehoţ rozsah se rozšiřuje za účelem obsáhnutí celé přidělené šířky pásma. Tyto techniky se pouţívají z různých důvodů a to např.: bezpečná komunikace, zvýšení odolnosti proti rušení, nemoţnost detekce. Hlavními představiteli této techniky jsou DSSS a FHSS. FHSS mění vnitřní nosnou frekvenci přiděleného pásma dle stanoveného kódu. Přijímač musí tento kód znát, aby mohl sledovat nosné frekvence. Jedná se o tzv. frekvenční skoky. DSSS vyuţívá Barkerovu sekvenci k rozprostření dat před jejich přenosem. Kaţdému bitu odpovídá určitá sekvence, pomocí které je přenášený bit zpracován. OFDM pouţívá v rámci kmitočtového pásma k přenosu dat více subkanálů najednou. Tímto principem se vyloučí moţný dopad na kvalitu signálu v případě vzniku fázového posunu. Nová technologie MIMO (více vstupů více výstupů) zásadně změnila vnímání pojmu Wi-Fi. 9 ISO/OSI Sedmivrstevný model pro počítače komunikující v síti. 10 Zdroj: ZANDL, Patrick: Bezdrátové sítě WiFi Praktický průvodce, Computer Press, str ,

24 V rámci Wi-Fi jde tedy o modulaci OFDM s vyuţitím technologie MIMO. MIMO je zaloţena na bázi vysílání více signálů různými cestami, a to pomocí více antén jak na straně přijímače tak vysílače. S počtem antén roste datová propustnost. MIMO funguje v rámci fyzické vrstvy v modelu ISO/OSI, coţ umoţňuje vyuţití pro jakýkoliv bezdrátový protokol vrstvy vyšší. Důvodem pro vznik této technologie přenosu dat byla nedostačující propustnost současných standardů x. Jedná se tedy o vícecestné šíření signálu za účelem dosaţení vyšší propustnosti, dosahu a sníţení počtu chyb při přenosu dat. Tento systém není nic nového, za vznikem (v roce 1985) této myšlenky stojí Jack Salz z Bellovy laboratoře. 2.4 Vysílací kanály Přenosová norma b obsahuje 39 kanálů od 2,3 do 2,7 GHz. Ne všechny kanály jsou u nás povoleny: 2412, 2417, 2422, 2427, 2432, 2437, 2442, 2447, 2452, 2457, 2462, 2467, Francie má pouze kanál a Španělsko kanál. V rozmezí pásma MHz je vzdálenost mezi kanály 5 MHz. Kaţdý kanál má šířku" 20 MHz - 24 MHz, coţ znamená, ţe se kanály překrývají. V případě pouţití dvou různých přístupových bodů ve stejném místě musíme tedy zvolit takové kanály, které jsou od sebe vzdáleny minimálně 5 kanálů. Z obrázku č. 7 vyplývá, ţe máme pouze tři nezávislé kanály a to: kanál č. 1: 2412 (od 2400 do 2424), kanál č. 6: 2437 (od 2425 do 2449), kanál č. 11: 2462 (od 2450 do 2474). V dnešní době začíná být pásmo 2,4 GHz značně zarušené, proto většina nových sítí vzniká jiţ v pásmu 5 GHz tedy dle specifikace a. Obrázek č. 7: Překrývání kanálů v pásmu 2,4 GHz Zdroj:

25 Standard a udává celkem 237 kanálů v rozmezí MHz. Tabulka č. 4: Povolené frekvence dle lokality Země Frekvenční rozsah (GHz) Počet nezávislých kanálů USA 5,150-5,350; 5, Japonsko 5,150 5,250 4 China 5,725 5,825 5 Evropa 5,150 5,350; 5,470 5, Zdroj: vlastní tvorba Vyuţívané pásmo v Evropě je tedy 5.47 GHz GHz. Pásmo 5,150 5,350 GHz bylo původně vyhrazeno pro sítě HiperLAN/2 (High Performance Radio Lan) za jehoţ zrodem stálo samo ETSI 11. Jednalo se o sítě komunikující v pásmu 5GHz. HiperLAN1 nabízela přenosové rychlosti pouze do 20 Mbit/s zatímco HiperLAN2 nabízel přenosovou rychlost jiţ 54 Mbit/s. Jeho síla byla v zabudované podpoře sluţeb QoS, kterou v té době ještě standard EEE neuměl. V současnosti je QoS jiţ součástí rodiny standardů Sítě HiperLAN se však bohuţel nikdy masově neprosadily. Vydáním standardu h se rozšířil standard a, a to v rámci podpory DFS (Dynamic Freuqency Selection) a TCP (Transmit Power Control). DFS umoţňuje automatickou volbu volného kanálu. TCP umoţňuje automatickou volbu vysílacího výkonu. 11 ETSI (European Telecommunications Standards Institute) evropský institut pro normalizaci v telekomunikacích

26 2.5 Řízení přístupu k médiu V ethernetových sítích se pouţívá jako základní protokol CSMA/CD systém detekce kolizí. U standardu je pouţito protokolu CSMA/CA systém předcházení kolizí. Protokol CSMA/CA zajišťuje minimalizaci kolizí pomocí třech kontrolních paketů a registru: RTS (request to send) tento tzv. řídící paket vysílá stanice ještě před samotným počátkem přenosu, obsahuje informace o zdroji, cíli a trvání následujícího přenosu. CTS (clear to send) tento paket je odpovědí cílové stanice na RTS řídící paket, obsahuje informaci o době trvání následujícího přenosu. ACK (acknowledge) tento paket vysílá stanice po úspěšném přijetí informace se správným CRC součtem. 12 Registr NAV (Network Alocation Vector) registr, do kterého si stanice v síti zapisují dobu trvání oznámenou v paketu RTS či CTS. Jedná se o dobu, po kterou nemají vysílat. ACK paket potvrzuje správné přijetí předchozího paketu. Tedy informace pro odesílající stanici, ţe nedošlo ke kolizi. Toto vše bohuţel nevyloučí případ tzv. skrytého uzlu, který můţe markantně omezit komunikaci na síti aţ o několik desítek procent. Případ nastane tehdy, kdy se k jednomu access pointu připojuje x klientských stanic, které na sebe vůbec nevidí, tzn. jsou spojeny právě a pouze jen s access pointem a o přítomnosti dalších klientských stanic nevědí. RTS či CTS pakety nezachytí, tudíţ si nemohou nastavit správně NAV registr. V takové síti bude docházet často ke kolizím, coţ povede k celkovému zpomalení sítě Zdroj: Patrick Zandl : Bezdrátové sítě WiFi Praktický průvodce, Computer Press, str.23, Zdroj: Patrick Zandl : Bezdrátové sítě WiFi Praktický průvodce, Computer Press, str.25,

27 2.6 Zabezpečení Wi-Fi sítí Kaţdá počítačová síť by měla mít nějaký mechanizmus, který zabezpečí, ţe komunikace a data této sítě nejsou dostupná veřejnosti resp. nepověřeným osobám. Kaţdý aktivní Wi-Fi prvek má integrovaný zabezpečovací protokol. Zabezpečovací protokoly jsou různé a mohou se starat jak o autentizaci (ověření klienta, který se chce připojit), tak o šifrování datové komunikace. Nejznámějším protokolem je WEP (Wired Equivalent Privacy). Měl zaručit bezpečnost komunikace na úrovni LAN sítí, bohuţel se tak nestalo. Protokol WEP slouţí jak pro autentizaci (jednostranná - pouze uţivatel vůči síti) tak pro šifrování (s pouţitím bitového klíče) a pouţívá statický klíč. WEP šifrování je snadno prolomitelné a to buď zcizením klientského zařízení či odposlechem. K prolomení WEP šifrování nám stačí notebook s Wi-Fi kartou a příslušný software jako např. AirSnort, WEPCrack či Kismet. Dnes nejvíce vyuţívanou ochranou v bezdrátových sítích je protokol WPA (Wi-Fi Protected Access). WPA bylo přijato jako dočasné řešení, neţ bude schválen bezpečnostní doplněk normy IEEE i. WPA zaručuje kompatibilitu s WEP a i. WPA vyuţívá dynamický klíč. Má také vylepšenou autentizaci. WPA nabízí více moţností, jak síť zabezpečit, a to buď pomocí autentizačního serveru (RADIUS), který zasílá kaţdému uţivateli jiný klíč, nebo pomocí PSK (Pre-Shared Key), kdy kaţdý uţivatel má stejný přístupový klíč. RADIUS server je protokol, který ověřuje vzdálené uţivatele (klienty), slouţí tedy jak pro autorizaci, tak pro přístup. Jedná se o dnes nejvíce vyuţívané zabezpečení v domácnostech. Bohuţel ochrana WPA (TKIP) 14 byla jiţ také prolomena odborníkem Ericem Tewsem pomocí tzv. slovníkového útoku. Poslední nejvyspělejší ochranou bezdrátových sítí je WPA2 označující se také jako IEEE i. WPA2 je označeno jako RSN (Robust Security Network) a je nástupcem WPA. WPA2 obsahuje protokol TKIP tak jako WPA, ovšem navíc byl přidán nový algoritmus CCMP 15, který vylepšil toto zabezpečení. U i je pouze přidán protokol AES (Advanced Encryption Standard) v reţimu CCM (kombinuje reţim CTR, Counter Mode pro utajení a CBC-MAC 14 TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) protokol pro utajení dat, vyuţívá dynamicky se měnící klíč pro kaţdý paket. 15 CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) mechanizmus zabezpečení zaloţený na AES šifrování

28 pro autentizaci a integritu). AES je naprosto vyhovující šifrovací mechanizmus i, který mění šifrovací klíč automaticky tzn., ţe nejde prolomit tuto ochranu odposlechem, tak jako u WEP i nabízí pro autentizaci PSK a 802.1x. Autentizace probíhá oboustranně. Dalším leč slabým zabezpečením je například moţnost skrýt SSID (Service set IDentifier název Wi-Fi sítě), bez tohoto údaje se nelze k síti připojit. Moţností je také pouţití filtrace MAC adres k přístupovému bodu se mohou připojit pouze známá zařízení Limit ČTU - vyzářený výkon Generální licenci č.gl-12/r/2000 ČTÚ (Český telekomunikační úřad) předepisuje v pásmu 2,4 GHz maximální vyzářený výkon 100 mw = 20 dbm. Při překročení této hranice můţe ČTÚ udělit pokutu aţ do výše Kč. Překročení povoleného vyzařovaného výkonu je také bezohledné jednání vůči ostatním Wi-Fi sítím. Dnes snad téměř všechna zařízení umí softwarově regulovat výkon, přesto se najdou tací, kteří toto omezení překračují a riskují vysokou pokutu. Výkon je udáván v dbm (decibelmiliwat). Výpočet dbm je dle následujícího vzorce: PdBm= 10 log (Pw*1000). kde tedy Pw = výkon (W) 1mW = 0 dbm 100 mw = 20 dbm, neboli maximální hodnotě povolená ČTU pro pásmo 2,4GHz. 16 Zdroj:

29 Tabulka č. 5: Podmínky ČTÚ pro vyuţívání rádiových kmitočtů a jejich omezení Označení Kmitočtové pásmo Maximální výkon Další podmínky A 2400,0 2483,5 100 mw e.i.r.p. MHz B MHz 200 mw střední e.i.r.p. 17 C MHz 200 mw střední e.i.r.p. pouze pro pouţití uvnitř jedné budovy pouze pro pouţití uvnitř jedné budovy D MHz 1 W střední e.i.r.p. maximální střední spektrální hustota e.i.r.p. je 50mW/MHz v libovolném 1 MHz úseku Zdroj: Nejvíce vyuţívaným pásmem v praxi je tedy pásmo označené písmenem D. Výhodou oproti pásmům B a C je určení pro venkovní spoje a oproti pásmu 2,4 GHz nabízí 11 nepřekrývajících se kanálů. Maximální hodnota povolená ČTU v pásmu 5 GHz je 1 W (30 dbm) v případě automatické regulace a 500 mw (27 dbm) bez regulace výkonu. 17 e.i.r.p. (Equivalent Isotropically Radiated Power) střední ekvivalentní izotropicky (všesměrově) vyzářený výkon po dobu vysílání, který odpovídá nejvyššímu výkonu, pokud je pouţita regulace výkonu

30 3 Přehled zařízení Wi-Fi V současné době lze vybírat z poměrně široké nabídky Wi-Fi zařízení resp. všeho co je zapotřebí pro zprovoznění Wi-Fi sítě. Kaţdý větší výrobce drátové a bezdrátové techniky a příslušenství nabízí určité řady výrobků, které jsou přímo zaměřeny na určitý segment trhu. Zpravidla se jedná o kategorie: Corporate profesionální pouţití pro velké podniky či Telco společnosti. Business středně velké podniky, projektové záleţitosti. SMB (Small business) malé podniky. SOHO (Small office and Home) malé podniky a kanceláře, domácí pouţití. Tuto segmentaci produktů pouţívají největší dodavatelé a výrobci síťových řešení, jakými jsou například: Cisco - Linksys, HP, Zyxel, D-link, NetGear, a další. Cisco se řadí k pomyslně asi nejvíce poptávané technologii v rámci Corporate a Business, a to pro své kvality a také svému přístupu formou jiţ vypracovaných programů resp. studií na konkrétní případy, např. zasíťování benzinové pumpy či letiště. Jejich programy, produkty a zkušenosti vyhrávají nejedno výběrové řízení. Na trhu se lze samozřejmě také setkat s méně známými značkami jako např. SMC, Airlive, TP-link, CC&C, Level One, Tenda, Edimax. Jedná se spíše o levnější řešení pro SMB, SOHO a někdy i Business segment. Dále jsou zde jiní výrobci jako např. Mikrotik či UBNT, kteří si razí vlastní cestu vývoje a nabízí něco trochu jiného, neţ je běţně k vidění. O zařízeních společnosti Mikrotik bude zmíněno v následujících kapitolách. Současný stav trhu na poli bezdrátových technologií je velmi konkurenční prostředí s velmi širokou nabídkou zajímavých produktů a to vše za příznivé ceny. Je tedy opravdu z čeho vybírat a rozhodnutí není snadné a vyţaduje určité pochopení problematiky a základních pojmů v rámci Wi-Fi techniky. Většina WISP 18 zákazníků v případě nákupu jsou jiţ obeznámení se zařízením, jeţ nakupují, bohuţel 90% běţných IT zákazníků této problematice stále nerozumí a v praxi je naprosto běţné, ţe je nutný individuální přístup a schopnost poradit ve výběru či navrhnout konkrétní řešení. 18 WISP (Wireless Internet Service Provider) poskytovatel bezdrátového internetu

31 Bezdrátová zařízení podléhají základnímu dělení: Aktivní prvky zařízení, jeţ se starají o komunikaci o Access pointy, o Klientské adaptéry. Pasivní prvky příslušenství o Antény, o Kabely, o Konektory. Za aktivní Wi-Fi prvky lze povaţovat zařízení, která obsahují alespoň jeden vysílací/přijímací rádiový modul pracující v pásmech 2,4 GHz či 5 GHz, nebo kombinací obou pásem. 3.1 Access pointy Zajišťují komunikaci a provoz mezi bezdrátovými a drátovými prvky LAN, WLAN, xdsl 19. Přístupový bod je samostatně stojící zařízení, které má vlastní napájení, rádiovou část (včetně dodávané antény) a příslušné konektory dle určení zařízení (LAN, WAN, ADSL, USB, slot pro Sim kartu). Na trhu se setkáme s mnoha variantami přístupových bodů. Přístupové body lze dělit dle prostředí, do kterého jsou určeny, na indoor a outdoor. Zařízení určená pro vnitřní prostředí jsou běţné přístupové body fungující v pásmu 2,4 GHz a podporující normy b/g/n/. Na trhu jsou také produkty nabízející podporu normy a, která se ale tolik nehodí do interiérů vzhledem k vlastnostem 5 GHz pásma resp. šíření vln. V nabídce některých výrobců jsou AP se dvěma integrovanými oddělenými bezdrátovými částmi (radii). Jejich pouţití je zejména vhodné v místech, kde potřebujeme jak přijímat, tak vysílat a to buď na jiném kanálu, či dokonce v jiném pásmu. Nahrazují tedy dvě běţná zařízení, coţ přináší sníţení nákladů na provoz a zároveň snadnou správu. Přístupové body jsou snad všechny, aţ na výjimky vybaveny LAN/WAN (RJ45) porty pro připojení k drátové síti, nebo RJ11 porty pro připojení ADSL. Ty lépe 19 xdsl označení pro různé typy digitální přípojky (ADSL, HDSL, VDSL, SDSL, RADSL)

32 vybavené nabízejí jeden či dva USB porty pro připojení např. tiskáren (fungují jako printserver) a také umoţňují připojení externího disku, který se po zapojení a správném nastavení tváří jako síťový disk. Dalším řešením jsou různé platformy jako například Routerboardy. Routerboardy lze přirovnat k motherboardu u PC. Mají vlastní paměť, procesor, operační systém (Mikrotik) a rozšiřující rozhraní. Společnost Mikrotik (tvůrce routerboardů) má v nabídce asi 30 druhů těchto zařízení lišících se výkonem a moţnostmi rozšíření. Tato platforma je natolik odlišná od běţných přístupových bodů, ţe prakticky nesnese srovnání. Součástí kaţdého routerboardu je předinstalovaný Operačný systém Mikrotik RouterOS. Router OS můţe být také instalován na jiných x86 kompatibilních zařízení. Router OS je zaloţen na linuxovém jádru kernel v2.6. Obrázek č. 8: Access pointy Airlive Zdroj: Na obrázku č. 8 je zařízení Airlive WLA-9000AP (vlevo), které má dvě bezdrátové oddělené části, kde první podporuje standard a a druhá a/b/g/. Druhé zařízení na obrázku je Airlive WN-5000R, které pracuje ve standardu n pomocí 2T3R (2 transmit and 3 recieve) anténní komunikace. Zařízení určená pro venkovní pouţití mají identické pracovní reţimy jako interní přístupové body. Jejich provedení je však zcela odlišné z důvodu poţadavků, jeţ jsou kladeny na odolnost zařízení dle jeho pouţití. Norma ČSN EN60529 definuje ochranu krytem. Kód IPxy (Ingress Protection) se pouţívá jako označení pro stupeň krytí elektrických předmětů. Znaky xy jsou zástupné znaky pro číslice. Znak x určuje ochranu před nebezpečným dotykem, vnikáním prachu a cizích těles. Znak y určuje ochranu před vnikáním vody. Čím vyšší číslice, tím odolnější krytí. V rámci Wi-Fi přístupových bodů jsou nejpouţívanější ochrany IP65 a IP66. Obě varianty jsou

33 prachotěsné, odolné vůči dotyku drátem, odolné vůči stříkající vodě a v případě ochrany IP66 dokonce tryskající ze všech směrů. Obě ochrany se jeví v praxi jako dostatečné. Další prvek, který je v kaţdém dnešním venkovním řešení implementován, je tzv. PoE 20. Pomocí PoE lze jednotku napájet po datovém kabelu a to zároveň s probíhající komunikací (přenos paketů). PoE určuje standard IEEE 802.3af, definuje 48 V a maximální proudový odběr pro jeden přístroj 400 ma. Pomocí PoE je moţné napájet např.: IP kamery, switche, access pointy, VoIP telefony a jiné. Obrázek č. 9: UBNT venkovní access pointy all in one řešení Zdroj: Na obrázku č. 9 je UBNT NanoStation M5(vlevo) a AirGrid M5 (vpravo), obě podporují standard a/n. Jedná se o kompletní řešení antény a pracovní jednotky. Snadná manipulace, stabilita, jednoduchost řešení a cena jsou hlavní devizou těchto zařízení. 3.2 Klientské adaptéry Klientské adaptéry se pouţívají výhradně jako rozšiřující karty v přenosných a stolních počítačích. Název klientské je dán jejich pouţitím v bezdrátových sítích. Topologie je zaloţena na architektuře klient/server. Server je v tomto případě zastupován access pointem a klientská zařízení se k němu připojují. Existují na trhu klientská zařízení, která umoţňují pomocí software vytvořit podobu access pointu. Bohuţel se toto řešení moc neujalo pro malý zájem a také pro svou proměnlivou kvalitu. Softwarové AP nedosahovalo 20 PoE (Power over Ethernet) napájení po ethernetu (po datovém kabelu)

34 stability a propustnosti jako v případě pouţití běţného přístupového bodu. K propojení více počítačů (v krajním případě) slouţí také pracovní mód Ad-hoc, který je obdobou Softwarového AP. Nejčastěji se můţeme setkat s těmito typy klientských adaptérů: PCI, minipci, ExpressCard, PCMCIA, USB. Z rozdělení vyplývá, ţe rozličnost klientských adapterů spočívá v druhu pouţitého komunikačního rozhraní. PCMCIA karty byly velmi rozšířené a to jiţ od začátku nástupu Wi-Fi technologie, tímto komunikačním rozhraním jsou vybaveny přenosné počítače. V současné době má většina přenosných počítačů Wi-Fi klientskou kartu jiţ integrovanou z výroby přímo na základní desce v podobě minipci karty. Tuto kartu lze po rozebrání zadního krytu notebooku vyměnit za jinou v případě potřeby. Rozhraní PCMCIA je pomalu vytlačováno rychlejším ExpressCard. MiniPCI karty se také pouţívají jako komponenta u speciálních řešení přístupových bodů. U těchto speciálních řešení slouţí minipci karta jako zásuvný bezdrátový modul a dle Softwaru zařízení je vyuţívána nejen v klientském pracovním reţimu. Tato řešení prezentují jiţ zmiňovaní výrobci: Mikrotik (Routerboardy), PCEngines (Alixboardy), UBNT (Wisp Stationy). PCI karty byly hodně rozšířené ve stolních PC, dnes většina zákazníků volí spíše USB řešení. USB adaptéry patří mezi nejvíce prodávané klientské adaptéry současnosti a to pro notebooky i stolní PC. Je vhodné volit takový USB adaptér, který je opatřen anténním výstupem. USB adaptéry, které mají anténu integrovánu v těle, se vyznačují horší citlivostí. Obrázek č. 10: Různé klientské adaptéry Zdroj:

35 3.3 Moţnosti zapojení aktivních prvků Aktivní prvky, především access pointy, nabízejí více pracovních reţimů. Mezi nejvíce pouţívané pracovní reţimy patří: Access point (AP), Client, Repeater, Bridge, WDS. Reţim AP umoţňuje připojení klientských stanic. Jedná se o analogii hvězdicové topologie pouţívané u kabelových sítí. Klienti se připojují na jeden uzel, který zajišťuje komunikaci mezi klienty a zároveň je branou např. do internetu. Jedná se o nejvíce pouţívaný mód ve Wi-Fi sítích. Pouţitím kvalitních prvků a správným nastavením lze získat spolehlivost a robustnost bezdrátového řešení. Kaţdé zařízení provozující v reţimu AP má své limity v počtu připojených klientských zařízení. Jedná se o hardwarová omezení a omezení týkající se poţadovaných parametrů Wi-Fi sítě (stabilita, dostupnost, propustnost, pokrytí). V současnosti se nejvíce pro outdoor podmínky pouţívají all in one řešení, viz obrázek č. 9. Reţim Client umoţňuje připojení k přístupovému bodu v pracovním reţimu AP. Reţim Client tedy doslova označuje klientské adaptéry ve kterých je nejvíce vyuţíván. Reţim Repeater (opakovač) najde své vyuţití v místech, kde je zapotřebí překlenout problematická místa se špatnou viditelnosti. Repeater však není ideálním řešením tam, kde jsou kladeny poţadavky na vysokou propustnost, jelikoţ komunikace v tomto reţimu sníţí propustnost spoje na polovinu. Pracovní reţim Bridge (most) se pouţívá pro spojení např. dvou metalických sítí. Název jiţ vypovídá o aplikaci reţimu. Praktickým příkladem pouţití módu Bridge je situace, kdy potřebujeme propojit dvě privátní kabelové sítě. K propojení vyuţijeme právě mód Bridge, u kterého se zařízení spárují (spojí) pomocí zadaných MAC adres. Tento spoj je plně transparentní, sítě mezi sebou komunikují, jako kdyby byly propojeny síťovým kabelem

36 Reţim WDS (Wireless Distribution System) umoţňuje komunikaci přístupových bodů a jejich klientů na stejném frekvenčním kanále. Z hlediska propojení celé Wi-Fi sítě právě a jen na jednom kanálu plyne omezení datové propustnosti, která je poníţena o počet připojených zařízení. Obecně je tento mód nepouţitelný v rušeném prostředí a v případě rozsáhlejších Wi-Fi sítí. 3.4 Pasivní prvky Pasivní prvky tvoří příslušenství k prvkům aktivním. Rozšiřují jejich moţnosti a pouţitelnost. Existuje celá řadu příslušenství, avšak mezi základní pasivní prvky patří: antény, konektory a kabely Antény Antény jsou velmi důleţitou součástí komunikačních systémů. Anténa je zařízení slouţící k transformaci RF signálu přivedeném po vodiči do antény na elektromagnetické vlnění vyzářeného do volného prostoru. Anténa demonstruje vlastnost známou jako reciprocita, coţ znamená, ţe si zachovává stejné vlastnosti bez ohledu na to, zda vysílá, nebo přijímá. Většina antén je rezonanční zařízení, které pracuje efektivně po relativně úzkém frekvenčním pásmu. Anténa musí být naladěna na stejné frekvenční pásmo jako rádiového zařízení, ke kterému je připojena. V případě, ţe tomu tak není, bude schopnost příjmu a vysílání degradována. Pro výběr vhodné antény je zapotřebí sledovat jejich parametry garantované výrobcem. Základní parametry antén: Zisk, Polarizace, Vyzařovací úhel, Směrovost, Frekvenční pásmo. Zisk nelze definovat z hlediska fyzikální veličiny jako Watt nebo Ohm, jedná se o bezrozměrný poměr. Jako referenční anténa je v tomto případě brána izotropní anténa. Jedná se o teoretickou anténu, které vyzařuje do všech směrů beze ztrát. Zisk antény v daném směru je mnoţství energie vyzářené v tomto směru ve srovnání s energií vyzářenou izotropní anténou ve stejném směru a to za předpokladu přijetí stejného

37 vstupního výkonu. Zajímá nás pouze maximální zisk, coţ je zisk ve směru, ve kterém anténa vyzařuje nejvíce. Zisk antény je uváděn v dbi tedy decibelech na isotrop. Polarizace je definována jako orientace elektrického pole elektromagnetické vlny. Máme dva druhy polarizace a to kruhovou a lineární. Většina antén vyuţívá lineární polarizace, která je horizontální a vertikální. Pokud pouţijeme proti sobě antény s různým typem polarizace, dojde ke sníţení přenosu výkonu. Vyzařovací úhel definuje úhel, pod kterým se vlny vyzářené anténou šíří do prostoru. V parametrech antény by tedy měly být uvedeny dva vyzařovací úhly pro horizontální a vertikální polarizaci. Grafické zobrazení relativní distribuce vyzářené energie do volného prostoru vyznačuje tzv. vyzařovací diagram. Vyzařovací diagram by měl být od výrobce součástí kaţdé antény, jelikoţ slouţí jako potvrzení o vyzařovacích vlastnostech antény. Udává vyzařovací úhel resp. úhel, pod kterým anténa vyzařuje elektromagnetické vlny do prostoru. Směrovost antény je udávána na základě šířky vyzařovacího úhlu. Frekvenční pásmo je v našem případě 2,4 GHz či 5 GHz. Obrázek č. 11: Vyzařovací diagram směrové antény Zdroj:

38 Antény lze rozlišovat dle konstrukce a způsobu šíření vln na: Směrové, Sektorové, Všesměrové. Směrové antény se pouţívají pro spoje point to point, kde je vhodným parametrem antény úzký vyzařovací úhel a vysoký zisk. Úhel směrových antén se pohybuje v rozmezí 5 25 stupňů a zisk od a více dbi. Na trhu jsou dvě varianty směrových antén: parabolické antény, yagi antény. Tyto antény se liší konstrukcí. Yagi antény se skládají z určitého počtu uspořádaných prvků, jejichţ velikost je dána polovinou vlnové délky v rámci zamýšleného pásma. Tyto prvky jsou půlvlnnými dipóly. Směrové antény jsou vhodné pro spoje point to point na delší vzdálenosti. Jsou úzce směrové a mají vysoký zisk. U spojů na několik kilometrů je vhodné pouţít parabolické antény. Yagi a sítové antény mají postranní laloky a zadní vyzařování, tyto vlastnosti jsou pro delší spoje neţádoucí. Hlavní nevýhoda parabolických plných antén je jejich náchylnost na silný vítr. Sektorové antény mají širší vyzařovací úhel neţ antény směrové a to v rozmezí Jejich konstrukce je různorodá a záleţí právě na úhlu pokrytí. Často se pouţívají pro pokrytí určitého sektoru, ale vzhledem k jejich nízké ceně se pouţívají i na straně klientů. Jejich obliba u zákazníků pro svou velikost a cenu, bohuţel přilákala hodně pochybných výrobců antén, coţ markantně přispělo k velkému zarušení prostředí v rámci měst. Všesměrové antény mají vyzařovací úhel 360 stupňů. Jsou předurčeny k pouţití na straně přístupových bodů v reţimu access point. Pokryjí tak značné okolí ve všech směrech Kabely V rámci přijímaného signálu je důleţité, aby signál přijatý anténou byl s co nejmenší ztrátou kvality přenesen k přijímači k dekódování. Funkci přenosu signálu od antény k Wi-Fi přijímači zastává kabel. Kabel je zodpovědný za zachování integrity přenášeného signálu v obou směrech. U Wi-Fi techniky se pouţívají kabely koaxiální. Jádro vodiče koaxiálního kabelu je tvořeno drátem či licnou, chráněno dielektrikem, stíněním (vodivý oplet) a pláštěm. Jako dielektrikum se pouţívají nevodivé materiály, např.: pevný plast, pěna

39 Obrázek č. 12: Průřez koaxiálního kabelu Zdroj: Koaxiální kabely určené pro přenos Wi-Fi signálu mají impedanci 50 Ω (lze pouţít i kvalitní 70Ω). Sledovanými parametry koaxiálních kabelů jsou: Pracovní frekvence, Útlum, Průměr jádra, průměr celého kabelu. Pracovní frekvence označuje maximální frekvence, kterou je koaxiální kabel schopen přenést při dodrţení přenosových parametrů. Pouţití kabelů nad jejich max. podporovanou frekvenci se nedoporučuje, jelikoţ dochází k velmi silnému útlumu a výrazné degradaci přenášeného signálu. Ačkoli je konstrukce koaxiálních kabelů na dobré úrovni, dochází při průchodu signálu k jeho zeslabení. Zeslabení je definováno jako útlum kabelu, který se uvádí v decibelech na metr - db/m. Jedná se o velmi důleţitý parametr, který se vyuţívá pro výpočet síly signálu spoje, kde jakoţto útlum reprezentuje zápornou hodnotu. Kabely s útlumem do 0,3 db/m lze označit za špičkové. Kabely s hodnotou vyšší za běţné. Průměr kabelu a jeho jádra je důleţitý při výběru vhodných konektorů a také při instalaci (otvory nutné pro protaţení kabelu). Z praxe mezi nejvíce pouţívané typy patří Belden H1000,LMR 400, LMR 600, Belden H155, Belden RF240. Kabely RG-58 určené pro tenký ethernet není vhodné pouţívat, i kdyţ počátkem příchodu Wi-Fi do ČR patřil k nejvíce prodávaným. Je tedy důleţité pouţívat koaxiální kabely co nejkratší a co nejkvalitnější pro minimalizaci jeho útlumu. Vhodným řešením jsou jiţ kabely osazené konektory z výroby nabízené v různých délkách

40 3.4.3 Konektory Konektory umoţňují propojení koaxiálních kabelů s anténou a Wi-Fi zařízením, a také k propojení resp. prodlouţení kabelů. Existuje široká škála různých konektorových spojek a konektorů různých velikostí pro koaxiální vedení. Přehled základních typů konektorů pouţívaných ve Wi-Fi technice: BNC konektory. TNC konektory stejně jako konektory BNC byly vyvinuty Neillem Concelmanem. TNC konektory se hodí pro vyšší frekvence řádově do 12 GHz a mají více variací neţli konektory BNC. N konektory lze pouţít aţ do 18 GHz, byly vyvinuty také Concelmanem. Jsou dostupné pro téměř všechny typy kabelů. Jsou vodotěsné a patří mezi nejrozšířenější anténní konektory. SMA konektory vyznačují se svými kompaktními rozměry, lze je pouţít aţ do 18 GHz. Mají vynikající mechanickou trvanlivost. V současnosti patří mezi nejvíce rozšířené konektory u access pointů. U.FL jedná se o nejmenší konektory pouţívané ve Wi-Fi technice. Setkáme se s nimi asi nejvíce na minipci Wi-Fi modulech. Spojky a přechodky/redukce jsou oboustranné konektory slouţící k propojení různě osazených kabelů či jen k jejich prodlouţení. Přechodky tvoří rozhraní mezi např. BNC konektorem a SMA konektorem. Spojky jsou určeny pro konektory stejného typu. Obrázek č. 13: Spojka, N konektor a RSMA konektor Zdroj:

41 Logika spojování konektorů vychází ze vztahu zásuvka (female) a pin (male). Nejvíce rozšířené konektory jsou tedy SMA a N. S oběma se velmi dobře pracuje při jejich instalaci na koaxiální kabel. Můţeme se setkat se šroubovacími a krimpovacími konektory. Krimpování je doslova nacvaknutí konektoru na kabel pomocí krimpovacích kleští. Šroubovací konektory se jednoduše do kabelu zašroubují. Vnitřní kolík konektoru se pouţívá pro nasazení na vodič kabelu. Jsou dvě varianty vnitřního kolíku: pájecí, krimpovací. Metoda pájení zajistí kvalitnější upevnění kolíku na vodiči, bohuţel je časově náročnější. Kaţdý konektor představuje další útlumový článek v cestě procházejícího signálu. Z toho důvodu je tedy vhodné pouţít k propojení Wi-Fi prvku a antény nezbytně nutné mnoţství kabelů a konektorů. Kabely, které se pouţívají jako redukce mezi Wi-Fi prvkem a silnějším koaxiálním kabelem, se nazývají Pigtaily. Jedná se o krátké přechodové kabely, které zajišťují, aby nedošlo k poškození výstupního konektoru na Wi- Fi zařízení při pouţití tlustého koaxiálního kabelu s malým ohybem

42 4 WiMAX WiMAX je bezdrátový komunikační systém, který je primárně určen pro bezdrátové metropolitní sítě (WMAN). WiMAX můţe poskytnout širokopásmový bezdrátový přístup pro pevné stanice do (50 km) a (5 15 km) pro mobilní stanice. WiMAX lze pouţít pro bezdrátovou síť v podstatě stejným způsobem jako WiFi. WiMAX nabízí efektivnější vyuţití pásma, vyšší odolnost vůči rušení a pokročilou zprávu QoS. Umoţňuje spojení v rámci LOS (Line of Sight), ale navíc oproti WiFi také NLOS (Non Line of Sight) 21, coţ výrazně posouvá moţnosti tohoto standardu. Důraz u WiMAXU byl kladen na kvalitu a stabilitu řešení s garantovanými parametry. Podpora PtMP (point to multi-point), nebo Mesh 22 topologie. IEEE (2001) určena pro kmitočty v pásmu GHz s propustností aţ 135 Mbit/s. Pro přenos je však podmínka přímé viditelnosti. IEEE802.16b rozšíření o podporu kvality sluţeb (QoS) IEEE802.16c (2003) zavádí systémové profily zařízení, které obsahují testy pro zajištění interoperability. IEEE802.16a (2003) určena pro kmitočty v pásmu 2 11 GHz s propustností aţ 70 Mbit/s. Není kladena podmínka přímé viditelnosti. IEEE802.16d (2004) rozšíření a o profily pro testování slučitelnosti zařízení s a IEEE802.16e (2005) mobilní verze WiMAXu, podpora připojených klientů aţ do rychlosti 150 km/h. S propustností max. 15 Mbit/s. IEE802.16m (předpoklad 2010) přináší zvýšení přenosové kapacity a to v případě mobilního WiMAXu na 100 Mbit/s a v případě fixního WiMAXu aţ 1 Gbit/s. 21 NLOS (Non Line of Sight) není nutné zajistit přímou viditelnost mezi body spoje. 22 MESH označení pro samoorganizující se sítě. Jedná se o topologii P2P

43 4.1 Základní specifika d WiMAX byl v době svého uvedení novinkou, která s sebou přinesla mnoho zajímavých technologií a vylepšení. Níţe jen krátké představení tohoto standardu: Kvalita signálu v závislosti na druhu kódování dat. Přináší s sebou efektivní vyuţití přenosového pásma, Vyuţívá MIMO technologii, NLOS komunikace, Maximální teoretická propustnost 70 Mbit/s v licenčním pásmu 3,5 GHz, Dosah aţ 50 km (LOS), aţ 15 km (NLOS), Pouţitá modulace OFDMA, QAM, QPSK, Rozdělení přenosových kanálů na subkanály, více nosných, Řízení kvality sluţeb pomocí pokročilé QoS, upřednostnění prioritních sluţeb, Podoba mobilním sítím, vhodné pro PtMP spoje, Licenční vyuţití, garance podmínek provozu, Jednoduchá správa, Stabilita spojení

44 Obrázek č. 14: Časová osa vývoje WiMAX technologie 4.2 Řízení komunikace Zdroj: (BS) Base Station neboli základnová stanice slouţí jako řídící jednotka WiMAX sítě, rozhoduje o vyuţití kanálu. Řízení přístupu v rámci WiMAX sítě je zaloţeno na základě MAC (Media Access Control). Kaţdá (CPE) klientská stanice má jedinečnou MAC adresu. Jednotlivá spojení se identifikují pomocí 16-bitového (CID) Connection ID. Spojení je tedy navázáno na základě jasně identifikovatelných klientských zařízení pomocí MAC a CID. WiMAX je zaloţen na spojovném principu. Způsob, jakým se dostupné frekvence rozdělí a vyuţijí pro obousměrnou komunikaci, definují tři profily duplexování: FDD (Frequency Division Duplex) Frekvenční duplex, TDD (Time Division Duplex) Časový duplex, H-FDD (Half Fequency Division Duplex) Frekvenční half-duplex. FDD vyuţívá pro komunikaci dva různé kanály souběţně a to jeden pro downlink (přenos dat od BS k uţivateli) a druhý pro uplink (přenos dat od uţivatele k BS). V praxi to znamená, ţe BS vysílá na jiné frekvenci neţ klientské stanice. TDD vyuţívá pro přenos dat oběma směry stejnou frekvenci, avšak nejdříve začne vysílat BS a aţ potom začnou