ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA DOPRAVNÍ Bakalářská práce ANALÝZA VLIVU MOBILITY UŽIVATELŮ NA KVALITU BEZDRÁTOVÉ SÍTĚ Lukáš Čech Praha 2013
Čestné prohlášení Já, Lukáš Čech, student Fakulty dopravní ČVUT v Praze, prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne: podpis: 3
Poděkování Děkuji Ing. Martinu Šrotýřovi za odborné vedení, cenné rady a poskytnutí pomůcek k praktickému měření. 4
Abstrakt Autor: Lukáš Čech Název bakalářské práce: Analýza vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě Škola: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní Rok vydání: Praha 2013 Počet stran:71 Tato bakalářská práce pojednává o bezdrátových technologiích a jejich využití v telematických aplikacích. Je zde přehled radiových přenosových cest a problematika přidělování kmitočtových pásem. Dále jsou popsány bezdrátové technologie na bázi standardů IEEE 802.11 a IEEE 802.16 a stav jejich certifikace. Práce obsahuje také popis dvou vybraných telematických aplikací, které využívají pro komunikaci bezdrátové technologie WiMax a DSRC. Na konci teoretické části je podán přehled o performačních indikátorech, které se používají pro klasifikaci telematických a telekomunikačních systémů. Hlavním cílem je vytvoření metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě. Tato metodika je zde ověřena praktickým měřením a následuje jeho vyhodnocení. Výsledkem měření je určení závislosti měřených parametrů bezdrátové sítě na rychlosti uživatele. Klíčová slova: WiFi, IEEE 802.11, WiMax, performační indikátory, bezdrátové sítě 5
Abstract Author: Lukáš Čech Name of bachelor s theses: Analysis of user mobility on the quality of wireless network School: Czech technical university in Prague, Faculty of transportation sciences Year of publication: Prague 2013 Pages: 71 This bachelor theses discusses about wireless technologies and their use in the telematic applications. There is a list of radio transmission paths and there is also issue of assignment frequency domain. Next part is focused on wireless technologies based on IEEE 802.11 and IEEE 802.16 and their certification status. The theses contains also description of two selected telematic applications which use wireless technologies WiMax and DSRC for communication. At the end of the theoretical part is an overview of performance indicators which are used for classification of telematics and telecommunication systems. The main purpose is to create methodology to determine the effect of user mobility on the quality of wireless network. This methodology is verified by practical measurement and its evaluation. The measurements results is determination of dependance between measured parameters of wireless network and the speed of users. Keywords: WiFi, IEEE 802.11, WiMax, performance indicators, wireless networks 6
Obsah Seznam použitých zkratek... 10 Seznam obrázků a tabulek... 13 Seznam obrázků... 13 Seznam tabulek... 14 1 Úvod... 15 1.1 Předmluva... 15 1.2 Cíl práce... 15 2 Dostupné bezdrátové technologie v oblasti WLAN... 16 2.1 Radiové přenosové cesty... 16 2.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra... 16 2.1.2 Radiokomunikační služby... 19 2.1.3 Přidělení rádiových kmitočtů... 22 2.2 Rádiové bezdrátové sítě... 24 2.2.1 Dělení bezdrátových sítí dle mobility objektů... 24 2.2.2 Dělení bezdrátových sítí dle oblasti použití... 25 2.3 Bezdrátové lokální sítě WLAN... 26 2.3.1 IEEE 802.11a... 27 2.3.2 IEEE 802.11b... 27 2.3.3 IEEE 802.11 g... 28 2.3.4 IEEE 802.11n... 28 2.3.5 IEEE 802.11e... 29 2.3.6 IEEE 802.11i... 30 2.3.7 IEEE 802.11p... 30 2.3.8 IEEE 802.11ac... 31 2.3.9 IEEE 802.16d... 31 2.3.10 IEEE 802.16e... 32 7
2.3.11 IEEE 802.16m... 32 3 Využití bezdrátových technologií v mobilních telematických systémech... 33 3.1 Elektronický výběr mýta... 33 3.1.1 Určování polohy vozidla... 33 3.1.2 Palubní jednotka vozidla... 34 3.1.3 Komunikace mezi OBU a mýtnou branou... 35 3.2 Monitorování pohybu vozidel po pohybové ploše Letiště Praha... 35 3.2.1 Palubní jednotka vozidla... 35 3.2.2 Komunikační prostředí... 36 4 Telematické performační indikátory... 38 4.1 Přesnost... 38 4.2 Spolehlivost... 38 4.3 Dostupnost... 39 4.4 Kontinuita (spojitost)... 39 4.5 Integrita... 40 4.6 Bezpečnost... 40 4.7 Hodnocení vlastností komunikačního řešení... 41 4.7.1 Aktivační doba dostupnosti služby... 41 4.7.2 Dostupnost služby... 41 4.7.3 Doba mezi dvěma poruchami MTBF (Mean Time Between Failures)... 41 4.7.4 Doba obnovení služby MTR (Mean Time to Restore)... 41 4.7.5 Zpoždění... 42 4.7.6 Ztráta paketů... 42 4.7.7 Bezpečnost... 42 4.8 Performační indikátory... 42 5 Návrh metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě... 44 5.1 Popis testovacího prostředí... 44 8
5.1.1 Hardware... 45 5.1.2 Software... 47 5.2 Testovací scénář... 48 5.2.1 Cíl testu... 48 5.2.2 Počáteční podmínky... 48 5.2.3 Postup testu... 51 5.3 Výstupy měření... 52 5.4 Vyhodnocení výsledků měření... 53 5.4.1 Nezatížená síť... 53 5.4.2 Síť zatížená stahováním... 58 5.5 Diskuse... 62 6 Závěr... 63 7 Seznam použitých zdrojů... 65 Přílohy... 69 Příloha A - nastavení NanoStation v režimu Access Point... 69 Příloha B - nastavení NanoStation v režimu Station... 70 Příloha C obsah přiloženého CD... 71 9
Seznam použitých zkratek Zkratka Český název Anglický název AES Pokročilý šifrovací standard Advanced Encryption Standard AP Přístupový bod Access Point ASMGCS Pokročilý systém pro navádění po letištní ploše Advanced Surface Movement Guidance and Control System BPSK Dvoustavové klíčování s fázovým Binary Phase Shift Keying posuvem C2C Vozidlo s vozidlem Car To Car C2I Vozidlo s infrastrukturou Car To Infrastructure CCK Doplňkové klíčové kódování Complementary Code Keying CCMP Algoritmus zajišťující integritu, autentizaci a poskytující utajení Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol CDMA Kódové dělení přenosových kanálů Code Division Multiple Access CSD Přepojování okruhů Circuit Switched Data ČR Česká republika Czech Republic DECT Evropský standard pro bezšňůrový telefon Digital Enhanced Cordless Telecomunications DTFM Tónová frekvenční volba Dual Tone Multiple Frequency EDCA Rozšířená DCF Enhanced DCF EDGE Rozšířené přenosy pro GSM přenosy Enhanced Data Rates for GSM Evolution EFC Elektronický výběr poplatků Electronic Fee Collection EHF Milimetrové vlny Extremely High Frequency ELF Extra nízká frekvence Extremely Low Frequency GNSS Globální družicový polohový systém Global Navigation Satellite System GPRS Paketový rádiový přenos dat General Packet Radio Service GPS Globální polohový systém Global Positioning Systém GSM Globální Systém pro Mobilní komunikaci Global System for Mobile Communications 10
HCCA Přístupová metoda ke kanálům řízená HCF Controlled Channel Access HCF HCF Hybridní koordinační funkce Hybrid Coordination Function HF Krátké vlny High Frequency HSCSD Vysokorychlostní přepojování okruhů High Speed Circuit Switched Data IP Internetový protokol Internet Protocol IEEE Institut pro elektrotechnické a elektronické inženýrství Institute of Electrical and Electronics Engineers ITS Inteligentní dopravní systémy Intelligent Transport Systems ITU Mezinárodní telekomunikační unie International Telecommunication Union LAN Lokální síť Local Area Network LF Dlouhé vlny Low Frequency MAC Linková vrstva Media Access Control MAN Metropolitní síť Metropolitan Area Network MF Střední vlny Medium Frequency MIMO Více vstupů více výstupů Multiple-input multiple-output MU- Více uživatelská MIMO Multi User MIMO MIMO OBU Palubní jednotka On Board Unit OFDM Ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením pro mnohonásobný přístup Orthogonal Frequency-Division Multiple Access PAN Osobní síť Personal Area Network PHY Fyzická vrstva Physical Layer QAM Kvadraturní amplitudová modulace Quadrature Amplitude Modulation QPSK Čtyřstavové klíčování s fázovým Quadrature Phase Shift Keying posuvem RC4 Proudová šifra RSA Rivest Cipher 4 SHF Centimetrové vlny Super High Frequency SMS Krátké textové zprávy Short Message Services SNG Schromažďování zpráv přes družice Satellite News Gathering 11
SOFDMA Škálovatelný OFDMA Scaleable OFDMA TC Třídy provozu Traffic classes TDM Multiplex s časovým dělením Time Division Multiplex TKIP Protokol dynamicky měnící klíče Temporal Key Integrity Protocol UHF Ultra krátké vlny Ultra High Frequency UMTS Univerzální mobilní telekomunikační systém Universal Mobile Telecommunications System UTP Nestíněná kroucená dvojlinka Unshielded Twisted Pair UWB Ultra Wide Band (technologie) Ultra Wide Band VHF Velmi krátké vlny Very High Frequency VLF Velmi dlouhé vlny Very Low Frequency VPD Vzletová a přistávací dráha Runway VSAT Terminál s malou plochou apertury antény Very Small Aperture Terminal WAN Rozlehlá síť Wide Area Network WEP Soukromí ekvivalentní drátovým sítím Wired Equivalent Privacy WiMAX Fórum pro standardizaci mikrovlnného přístupu Worldwide Interoperability for Microwave Access WiFi Bezdrátové sítě LAN Wireless Fidelity WLAN Lokální bezdrátová síť Wireless Local Area Network WPA WiFi chráněný přístup WiFi Protected Access 12
Seznam obrázků a tabulek Seznam obrázků Obr. 1 - Příklad bezdrátových technologií podle druhu mobility Obr. 2 - Příklad bezdrátových technologií podle oblasti použití Obr. 3 - Standardní mýtná brána v ČR Obr. 4 - OBU jednotka společnosti Kapsch Obr. 5 - Palubní jednotka se smart anténou Obr. 6 - Anténa telekomunikačního systému WiMax Obr. 7 - Prostorové uspořádání letiště Tchořovice Obr. 8 - Schéma zapojení zařízení Obr. 9 - NanoStation loco M5 Obr. 10 - Počítač server a WiFi vysílač Obr. 11 - Měřící počítač a WiFi přijímač v automobilu Obr. 12 - Umístění stanic NanoStation Obr. 13 - Naměřené hodnoty pro rychlost 30 km/h ve vzdálenosti 540 m, se stahováním dat Obr. 14 - Graf závislosti síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 15 - Graf závislosti TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 16 - Graf závislosti RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 17 - Graf závislosti doby odezvy na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, bez stahování dat Obr. 18 - Graf závislosti síly signálu na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat Obr. 19 - Graf závislosti TX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat Obr. 20 - Graf závislosti RX Rate na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat Obr. 21 - Graf závislosti přenosové rychlosti na rychlosti přijímače a jeho vzdálenosti od vysílače, se stahováním dat 13
Seznam tabulek Tab. 1 - Rozdělení kmitočtových pásem podle délky vlny Tab. 2 - Performační indikátory Tab. 3 - Parametry NanoStation loco M5 Tab. 4 - Tabulka naměřených hodnot pro sílu signálu Tab. 5 - Tabulka naměřených hodnot pro TX Rate Tab. 6 - Tabulka naměřených hodnot pro RX Rate Tab. 7 - Tabulka naměřených hodnot pro dobu odezvy Tab. 8 - Tabulka naměřených hodnot pro sílu signálu, se stahováním dat Tab. 9 - Tabulka naměřených hodnot pro TX Rate, se stahováním dat Tab. 10 - Tabulka naměřených hodnot pro RX Rate, se stahováním dat Tab. 11 - Tabulka naměřených hodnot pro přenosovou rychlost, se stahováním dat 14
1 Úvod 1.1 Předmluva Bezdrátové sítě jsou v dnešní době běžně používány pro široké spektrum aplikací, zejména kvůli jednoduchosti jejich vytváření bez nutnosti budování fyzických přenosových cest, jelikož poskytují kvalitní alternativu klasickým sítím na bázi Ethernetu. Standardy týkající se bezdrátových technologií jsou neustále vylepšovány tak, aby držely krok s trendem ve vývoji lidských potřeb ohledně přenosu dat. Tyto technologie se tak neustále zrychlují, nabízejí lepší stabilitu, a tak i svoji využitelnost. Bezdrátové sítě nacházejí využití jako doplněk klasických sítí LAN (Local Area Network) na bázi Ethernetu, tvoří samostatné komplexní lokální bezdrátové sítě WLAN (Wireless LAN) a umožňují nasazení mnoha telematických aplikací. Zejména použití v telematických aplikacích je v dnešní době velmi aktuální. Jde o nejrůznější využití při sledování vozidel (fleet management), aplikace umožňující řízení dopravy na základě bezdrátově získaných dat od dopravních senzorů, samotné infrastruktury a nebo vozidel. Prvky, které se podílejí na komunikaci v těchto aplikacích, nebývají pouze statické, ale velmi často jsou také v pohybu. Tyto pohybující se prvky mohou nepříznivě ovlivňovat spolehlivost bezdrátové sítě a datového přenosu. Většina bezdrátových technologií negarantuje správnou funkčnost při vyšších rychlostech, a proto je důležité vybírat vhodnou bezdrátovou technologii na základě konkrétních potřeb dané aplikace. 1.2 Cíl práce Tato práce je rozdělena na teoretickou a praktickou část. V první části je obsažen obecný popis radiových přenosových cest, frekvenčního spektra, přehled radiokomunikačních služeb a problematika přidělování radiových kmitočtů. Dále je uveden popis bezdrátových sítí, jejich dělení podle oblasti použití a popis dvou nejrozšířenějších standardů IEEE 802.11 pro WiFi a IEEE 802.16 pro WiMax. V závěru teoretické části jsou popsány nejdůležitější performační indikátory a jejich úloha v hodnocení komunikačních řešení telematických systémů. Praktická část se zabývá návrhem metodiky pro stanovení vlivu mobility uživatelů na kvalitu bezdrátové sítě a následným ověřením této metodiky praktickým měřením technologie IEEE 802.11. V závěru práce je zhodnocení výsledků praktického měření a na základě tohoto výsledku je stanovena vhodnost této technologie v telematických systémech. 15
2 Dostupné bezdrátové technologie v oblasti WLAN Bezdrátové technologie umožňují komunikaci na dálku mezi dvěma nebo více zařízeními, v případě, že tato zařízení nemají fyzické (kabelové) propojení. Dříve se jednalo o doplňkovou technologii pro přenos dat v místech, kde nebyly kabelové přístupové prostředky. V dnešní době jsou bezdrátové technologie používány v širokém spektru služeb, a to zejména kvůli nižším nákladům na potřebnou infrastrukturu oproti technologiím využívajícím fyzického propojení jednotlivých míst v síti. Komunikace může probíhat prostřednictvím radiového, optického nebo infračerveného signálu. V této kapitole budou uvedeny pouze takové bezdrátové technologie, které využívají pro přenos dat radiového signálu neboli radiové přenosové cesty. V první části této kapitoly je obecný popis radiových přenosových cest a rozdělení radiových bezdrátových technologií do skupin podle oblasti použití. V další části následuje popis vybraných bezdrátových technologií. 2.1 Radiové přenosové cesty Tento způsob přenosu informací využívá jako nosné médium elektromagnetické vlny o takovém kmitočtu, aby se radiový signál mohl vhodně šířit prostorem. Kmitočty jsou rozděleny do několika pásem podle fyzikálních vlastností šíření odpovídajících elektromagnetických vln. Každé pásmo je ještě rozděleno na několik skupin kmitočtů, které využívají v rámci daného pásma určité typy radiokomunikačních služeb. 2.1.1 Rozdělení kmitočtového spektra Na zvoleném kmitočtu neboli frekvenci je závislý dosah radiového signálu, který může být několik desítek kilometrů nebo jen v řádu několika jednotek metrů. Tato závislost je dána tím, že elektromagnetické vlny o nízkém kmitočtu se mnohem lépe šíří prostorem, protože kopírují zakřivení Země. [1] Na základě zvolené frekvence signálu rozeznáváme tři typy šíření radiové vlny [2]: přímá vlna šíří se přímo vzduchem mezi vysílačem a přijímačem. Takové vlnění není ovlivněno Zemí a ani ionosférou. Vlastnosti jejího šíření odpovídají šíření světla a platí pro vysoké kmitočty od několika GHz výše. 16
povrchová (přízemní) vlna kopíruje zakřivení Země, protože se šíří na rozhraní mezi vodivým (povrch Země) a nevodivým (vzduch) prostředím. Tento typ šíření se projevuje u vlnění s kmitočty do několika MHz. prostorová vlna šíří se odrazy od ionosférických vrstev. V době od východu do západu Slunce je tato vlna na základě zvolené frekvence různě silně tlumena v ionosféře a signál se nemusí vůbec šířit. Po západu Slunce se spodní vrstva ionosféry vytrácí a může se šířit i takové vlnění, které bylo během dne utlumeno. Jako prostorová vlna se šíří signály od kmitočtu 30 MHz do několika GHz. Základní dělení kmitočtového spektra podle vlnové délky je uvedeno v Radiokomunikačním řádu Mezinárodní telekomunikační unie ITU, vydaném v roce 1990 v Ženevě. Dělení radiových vln v tomto Radiokomunikačním řádu je provedeno tak, že každé z devíti pásem kmitočtů má odlišné fyzikální podmínky šíření elektromagnetického záření. Dělení radiových vln podle ITU je uvedeno v tabulce Tab. 1 Rozdělení kmitočtových pásem podle délky vlny. Nejdelší vlnovou délku v řádu desítek kilometrů mají velmi dlouhé vlny (VLF, Very Low Frequency) mezi 3 až 30 khz, které se využívají například pro komunikaci s ponorkami. Naopak radiové milimetrové vlny (EHF, Extremely High Frequency) mezi 30 a 300 GHz se používají pro vysokorychlostní mikrovlnný přenos dat a jejich vlnová délka je pouze několik milimetrů. [3] Tab. 1 - Rozdělení kmitočtových pásem podle délky vlny, Zdroj: [3] Číslo pásma N Zkratka Rozsah kmitočtů (dolní mez mimo, horní mez včetně) Odpovídající názvy pásem Délka vlny 4 VLF 3 až 30 khz myriametrové 100 10 km 5 LF 30 až 300 khz kilometrové 10 1 km 6 MF 300 až 3000 khz hektometrové 1000 100 m 7 HF 3 až 30 MHz dekametrové 100 10 m 8 VHF 30 až 300 MHz metrové 10 1 m 9 UHF 300 až 3000 MHz decimetrové 10 1 dm 10 SHF 3 až 30 GHz centimetrové 10 1 cm 11 EHF 30 až 300 GHz milimetrové 10 1 mm 12 --- 300 až 3000 GHz decimilimetrové 1 0,1 mm Pásmo velmi dlouhých a dlouhých vln (VLF a LF) využívá pro komunikaci elektromagnetické vlny, které se díky nízké frekvenci šíří s malým útlumem na velké vzdálenosti až 1000 km. Signál o této frekvenci se šíří jako vlna prostorová i přízemní. Nízká hodnota útlumu umožňuje i vysílači s malým vyzářeným výkonem pokrýt velkou oblast 17
signálem. Mezi nevýhody těchto pásem patří nutnost budovat velké vysílače, atmosférické a průmyslové rušení a malý počet kmitočtových kanálů. Využití těchto pásem je nejčastější v námořní komunikaci a pro radionavigační služby. Velmi dlouhé vlny se využívají například také při komunikaci s ponorkami, protože se šíří i zemskou kůrou. Pásmo středních vln (MF) obsahuje takové frekvence, které se šíří jako vlna přízemní i prostorová. Během dne se signál šíří pouze jako přízemní vlna a jeho dosah je cca 100 km. V denní době není možné, aby se signál šířil jako vlna prostorová, protože sluneční záření ovlivňuje parametry ionosféry tak, že signál je v ionosféře utlumen. Po západu Slunce dochází ke změnám vlastností ionosféry a signál se tak šíří jako vlna přízemní i prostorová, která má mnohem větší dosah. V noci proto dochází na přijímačích ke skládání přízemní a prostorové vlny, což má za následek kolísání příjmu neboli únik. Toto kmitočtové pásmo je nejvíce využíváno rozhlasovou službou. Pásmo krátkých vln (HF) umožňuje šíření radiového signálu prostorovou i přízemní vlnou. U přízemní vlny dochází k nárůstu útlumu s rostoucím kmitočtem a dosah takových vln je jen několik kilometrů. Dosah u prostorové vlny ovlivňuje několik faktorů. Prvním faktorem je hustota ionosféry, která závisí na slunečním a kosmickém záření, a druhým faktorem je vlnová délka signálu. Pokud je kmitočet vzhledem k hustotě ionosféry příliš malý, dojde k útlumu takového signálu. Když je naopak kmitočet příliš vysoký, projde ionosférou a na povrch Země se už nedostane. [4] V denní době se proto od Ionosféry odrážejí vlny s vyšším kmitočtem, který odpovídá vlnové délce 10 až 25 m. Po západu Slunce dojde ke změně hustoty ionosféry a ta odráží signály o nižší frekvenci a vlnové délce 35 až 100 m. [5] Krátké vlny se používají pro komunikaci na velkou vzdálenost s námořními loděmi nebo se zaoceánskými kontinenty, i když pro tento účel se dnes využívá spíše družicového spojení. V pásmu velmi krátkých vln (VHF) se šíří signál pouze přízemní vlnou, protože kmitočet v tomto pásmu je vyšší, než mezní kmitočet pro odraz v ionosféře. Pouze u frekvence na spodním okraji pásma může dojít za specifických podmínek k odrazu vlny od ionosféry. Tohoto pásma využívá rozhlasové vysílání s kmitočtovou modulací a televizní vysílání. Pásmo ultra krátkých vln (UHF) obsahuje tzv. decimetrové vlny, které se šíří pouze povrchovou přímou vlnou do vzdálenosti radiové dohlednosti. U přímé vlny dochází k odrazu od většiny překážek. Odraz vlny je závislý na velikosti překážky tak, že pokud je překážka větší než vlnová délka signálu, vlnění za překážku nepronikne a za překážkou vznikají odstíněná místa. V městské zástavbě jsou taková odstíněná místa důsledkem četných odrazů 18
od domů apod. Prostorová vlna kvůli vysokému kmitočtu prochází skrze ionosféru do kosmu, pouze velmi zřídka a za specifických podmínek může dojít k jejímu odrazu od ionosféry. Toto pásmo je využíváno pro televizní vysílání, pozemní pohyblivou službu, leteckou pohyblivou službu, apod. Pásmo centimetrových a kratších vln (SHF, EHF) zahrnuje takové kmitočty, že se elektromagnetická vlna šíří s vlastnostmi, které odpovídají šíření světla. Dochází tak ještě ve větší míře k odrazům vlnění mezi překážkami a vniku odstíněných míst. Na dosah a kvalitu signálu šířícího se na centimetrových a kratších vlnách má podstatný vliv i počasí. Za hustého deště, sněžení nebo mlhy dochází k výraznému útlumu. Kmitočty z tohoto pásma jsou používány pro družicovou a pevnou službu. [4] 2.1.2 Radiokomunikační služby Vyjádření Českého telekomunikačního úřadu k radiokomunikačním službám: Rozdělení radiokomunikačních služeb vychází z Radiokomunikačního řádu Mezinárodní telekomunikační unie a definice jednotlivých služeb jsou uvedeny v Plánu přidělení kmitočtových pásem (Národní kmitočtová tabulka), zveřejněném v částce 11/2004 Telekomunikačního věstníku dne 15. listopadu 2004. Plán přidělení kmitočtových pásem navazuje na Plán využití kmitočtového spektra, zveřejněný v částce 12/2001 Telekomunikačního věstníku. [6] 2.1.2.1 Pozemní pohyblivá služba Tato služba definuje používání vysílacího radiového zařízení za pohybu. Vztahuje se na takové použití, kdy vysílače vysílají signál za pohybu, anebo na místě při zastávce během pohybu. Umožňuje tedy spojení mezi pevnými základnovými stanicemi a pozemními pohyblivými stanicemi nebo mezi mobilními stanicemi navzájem. Vysílací zařízení používaná pro vysílání v rámci této služby jsou zejména přenosná mobilní nebo ruční. Používání těchto vysílacích radiových zařízení není vázáno zákonem a nevyžaduje se pro jejich obsluhu odborná způsobilost. 2.1.2.2 Pevná služba V rámci této služby mohou pevné vysílací stanice vysílat, přijímat nebo udržovat přenos s jinou pevnou vysílací stanicí. Přenos může být mezi dvěma pevnými body nebo z jednoho pevného bodu na více pevných bodů. Obsluha těchto pevných radiových vysílacích stanic nemusí podle zákona dokládat odbornou způsobilost. 19
2.1.2.3 Rozhlasová služba Tato služba je určena pro vysílací radiová zařízení, jejichž signál je distribuován široké veřejnosti. Jedná se o vysílání rozhlasových programů a dalších doplňkových informací a vysílání televizních programů spolu se zvukovou stopou a dalšími doplňkovými informacemi. Do této služby patří také rozhlasové a televizní převaděče, které umožňují příjem signálu na určitém kmitočtu a v reálném čase vysílání přijatého signálu na jiném kmitočtu. Odborná způsobilost pro obsluhu těchto stanic není zákonem předepsaná. Vyjádření ČTÚ k využívání rozhlasové služby: V 17 zákona je stanoveno, že Úřad může vydat individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů pro rozhlasovou službu, jen je-li vydána licence podle zvláštního právního předpisu nebo jen se souhlasem Rady pro rozhlasové a televizní vysílání, a to i pro jiné radiokomunikační služby v části rádiového spektra vyhrazené pro rozhlasovou službu. [6] 2.1.2.4 Družicová služba Družicová služba je obstarávána zejména vysílacími zařízeními typu VSAT (Very Small Aperture Terminal) a SNG (Satellite News Gathering), vysílacími stanicemi pohyblivých družicových služeb a ostatními stanicemi, umožňujícími vysílání v rámci této služby. Komunikační soustava je tvořena pozemskými uzlovými body a kosmickou stanicí (družicí). Pro obsluhu těchto stanic není zákonem vyžadována odborná způsobilost. [6] VSAT sítě tvoří koncové terminály s velmi malou plochou apertury antény, který se do komunikační sítě připojuje přes geostacionární družici. Centrem systému je pozemský HUB, který zajišťuje komunikaci mezi koncovými terminály a s jinými sítěmi. Tento systém pracuje na několika různých kmitočtech, které jsou určeny pro různé skupiny uživatelů. V České republice je VSAT síť provozována pouze jednou společností, která používá pro pokrytí ČR a území střední Evropy družici AMOS 3. [7] SNG služba je určena pro přenos zpráv a živých vstupů přes určené satelitní pásmo. Vysílací stanice SNG jsou kvůli mobilitě součástí různých dopravních prostředků. Příkladem použití SNG v ČR je Česká televize, která pro vysílání živých vstupů zvolila satelitní pásmo od společnosti GiTy a. s. a pro přenos dat využívá družice Astra 3B. [8] 20
2.1.2.5 Letecká pohyblivá služba Rozděluje vysílací zařízení na letadlové a letecké stanice. Přidělení individuálních oprávnění, jak jej definuje ČTÚ: Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů lze vydat pouze na letadlové stanice schválené Úřadem pro civilní letectví. Letadlo, na kterém jsou letadlové stanice umístěny, musí mít příslušným orgánem přidělenou rejstříkovou nebo poznávací značku (tzv. imatrikulační značku). Individuální oprávnění k využívání kmitočtů letadlovými stanicemi mají mezinárodní platnost. Individuální oprávnění k využívání kmitočtů lze vydat pouze na letecké stanice, kterým Ministerstvo dopravy stanovilo volací značku a kmitočty. Všechny letouny a vrtulníky musí být s platností od 1. 7. 2011 vybaveny polohovým majákem nehody (ELT), který pracuje současně na frekvenci 121,5 MHz a 406 MHz v souladu s předpisem L 10/III, Částí II, Hlavou 5. Úřad proto po tomto datu neudělí individuální oprávnění letadlové stanice pro letouny a vrtulníky, které nebude obsahovat výše uvedený polohový maják nehody. V opačném případě Úřad individuální oprávnění udělí pouze v případě, že žadatel předloží výjimku z této povinnosti udělenou Ministerstvem dopravy odborem civilního letectví. Požadavek na vybavení ELT se nevztahuje na letadla jiná než letouny a vrtulníky (např. na kluzáky, motorové kluzáky, balóny, vzducholodě, apod.). [6] Pro obsluhu takovýchto zařízení je podle zákona nutné získat průkaz odborné způsobilosti. Pro tuto službu je vyžadován všeobecný průkaz radiotelefonisty letecké pohyblivé služby a pro jednodušší obsluhu vnějších ovládacích prvků stačí obsluze omezený průkaz radiotelefonisty letecké pohyblivé služby. 2.1.2.6 Námořní pohyblivá služba Umožňuje komunikaci mezi pobřežními a lodními vysílacími stanicemi nebo mezi lodními stanicemi navzájem. Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů vysílacími zařízeními vydává Námořní úřad ČR. Pro obsluhu těchto zařízení je nutný průkaz odborné způsobilosti. Obsluha vysílacích zařízení námořní pohyblivé služby musí vlastnit Všeobecný průkaz operátora námořní pohyblivé služby nebo Omezený průkaz operátora námořní pohyblivé služby pro stanice pracující v pásmu velmi krátkých vln. Pro obsluhu radiotelefonní služby v lodní dopravě musí obsluha vlastnit Všeobecný průkaz radiotelefonisty pohyblivé radiotelefonní služby nebo Omezený průkaz radiotelefonisty pohyblivé radiotelefonní služby pro jednodušší obsluhu vnějších ovládacích prvků. 21
2.1.2.7 Amatérská služba Tato služba je určena pro nekomerční použití, a to zejména ke sportovní činnosti, osobnímu sebevzdělávání a studiu. Obsluha vysílacích stanic, které využívají kmitočty amatérské služby, musí být držitelem průkazu odborné způsobilosti, který je možné získat od ČTÚ po vykonání zkoušky před komisí. ČTÚ na základě úspěšně vykonané zkoušky vydá žadateli průkaz odborné způsobilosti pro obsluhu vysílacích rádiových zařízení amatérské radiokomunikační služby odpovídající třídy. Průkaz odborné způsobilosti je nezbytný pro následné přidělení individuálního oprávnění k využívání rádiových kmitočtů amatérské radiokomunikační služby a získání volací značky (identifikátoru vysílače). 2.1.3 Přidělení rádiových kmitočtů Spektrum rádiových kmitočtů je považováno za národní bohatství, a proto ho stát prostřednictvím ČTÚ reguluje a určuje pro využívání rádiových kmitočtů. Rádiové kmitočty pro vysílání není možné volit libovolně, ale s ohledem na definované radiokomunikační služby, které stanovují, na jakých kmitočtech a za jakých předpokladů je vysílání možné. Porušením takových pravidel by mohlo dojít k rušení jiných služeb a omezování ostatních uživatelů. Zákon definuje určité kmitočty, pro jejichž používání musí provozovatel získat Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů. Ostatní kmitočty, pro které není nutné získat individuální oprávnění, je možné používat na základě Všeobecného oprávnění. [6] 2.1.3.1 Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů Toto oprávnění uděluje ČTÚ na základě žádosti, kterou podá fyzická nebo právnická osoba. V žádosti je třeba uvést jméno fyzické nebo název právnické osoby, požadované kmitočty a jejich parametry a požadovanou dobu přidělení rádiových kmitočtů. Některé radiokomunikační služby vyžadují v žádosti další parametry, jako požadovanou volací značku, vymezení předpokládaného území, na kterém bude daný kmitočet využíván, nebo doložení odborné způsobilosti. Pokud žadatel splní všechny předepsané povinnosti a jím požadovaný kmitočet je možné použít, přidělí mu ČTÚ individuální oprávnění k vyžívání konkrétního kmitočtu. [9] Podle typu požadavku je možné žádat o tyto druhy individuálního oprávnění: Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů, Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů pro experimentální účely, Krátkodobé oprávnění k využívání rádiových kmitočtů. 22
Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů pro experimentální účely je oprávnění, které mohou podat žadatelé v případě, že požadují přidělení kmitočtů, které budou využity pro výzkum, vývoj, ověřování nových rádiových zařízení a které zároveň nebudou použity pro výdělečnou činnost. Krátkodobé oprávnění k využívání rádiových kmitočtů je určeno pro přidělení rádiových kmitočtů v mimořádných situacích. Uděluje se na dobu nezbytně nutnou, maximálně však na 15 dní. Doba platnosti oprávnění navíc nejde po uplynutí této doby prodloužit. Do mimořádných situací, které umožňují přidělení krátkodobého oprávnění, patří například zajištění rádiové komunikace ochranného doprovodu významných osob, televizní a rozhlasový přenos při neočekávaných událostech. Krátkodobé oprávnění je možné přidělit pouze v případě, že požadované kmitočty jsou k dispozici a jejich užitím nedojde k rušení ostatních uživatelů. Individuální oprávnění k využívání rádiových kmitočtů je přiděleno žadateli v případě, že jeho požadavek nespadá do výše uvedených druhů individuálního oprávnění. [6] 2.1.3.2 Všeobecné oprávnění Všeobecné oprávnění se vztahuje na kmitočty, které nevyžadují individuální oprávnění. Tyto kmitočty jsou rozděleny do několika tříd a pro každou třídu existuje všeobecné oprávnění, které definuje, za jakých podmínek je možné dané rádiové kmitočty využívat. Především jde o určení kmitočtového pásma, vyzářeného výkonu vysílače a způsobu použití. Problém mohou způsobit rádiová zařízení, která jsou dovezena ze zahraničí a nemusí splňovat podmínky ČR pro vysílání na kmitočtech všeobecného oprávnění. Používání těchto nevyhovujících zařízení tak může způsobit, že dojde k rušení ostatních uživatelů. Nejvíce užívané kmitočty, které spadají pod všeobecné oprávnění, jsou seskupeny ve třídách podle způsobu použití: provozování zařízení krátkého dosahu, provozování bezšňůrových telefonů, provozování zařízení v pásmu 2,4 a 5 GHz. Provozování zařízení krátkého dosahu se řídí všeobecným oprávněním č. VO R/10/04.2012-7, které určuje použitelné kmitočty pro tuto třídu všeobecného oprávnění a jednotlivým kmitočtů z této třídy přiřazuje služby a podmínky, za jakých je možné tento kmitočet využívat. Podle výše uvedeného oprávnění je tak možné například volně použít kmitočet 433 MHz pro přenos dat nebo 2,4 GHz pro RFID zařízení. 23
Provozování bezšňůrových telefonů je v současné době podle evropské normy DECT možné pouze v pásmu 1880 až 1900 MHz, kterému odpovídá všeobecné oprávnění VO R/8/08.2005-23. Do roku 2005 bylo možné provozovat bezdrátové telefony i na jiných nižších pásmech, ale tyto kmitočty byly na základě rozhodnutími Výboru pro elektronické komunikace vyhrazeny pro jiné služby. Provozování zařízení v pásmu 2,4 a 5 GHz je v současné době velmi využívané. Na kmitočtech 2400 2483,5 probíhá komunikace v rámci bezdrátových sítí včetně bezdrátového internetu WLAN, přenos dat pomocí technologie Bluetooth, RFID atd. Podmínky pro využívání jsou nastaveny ve všeobecném oprávněním VO-R/12/09.2010-12 a VO R/10/04.2012-7. Nadměrné využívání tohoto pásma vede velmi často k rušení ostatních uživatelů, zejména používáním příliš vysokých výkonů u vysílačů. Pásmo 5 GHz je možné využívat podle všeobecného oprávnění VO-R/12/09.2010-12 a VO-R/10/04.2012-7 pro bezdrátové sítě. Konkrétně se používá kmitočet 5,15 5,35 GHz výhradně uvnitř budov, kmitočtové pásmo 5,470 5,725 GHz dle standard IEEE 802.11a a v pásmu 5,725 5,875 GHz je možný provoz pro vysílací zařízení s nízkým vyzářeným výkonem (25 mw). [10] 2.2 Rádiové bezdrátové sítě Tyto sítě propojují různá zařízení za účelem vzájemné komunikace a výměny dat. Propojení těchto zařízení se uskutečňuje pomocí elektromagnetického vlnění o vhodném kmitočtu. Rádiové bezdrátové sítě můžeme dále rozdělit do několika tříd, podle různých kritérií. 2.2.1 Dělení bezdrátových sítí dle mobility objektů Bezdrátové sítě mohou podporovat různou úroveň mobility jednotlivých vzájemně propojených zařízení. Podle této podpory můžeme rozdělit bezdrátové sítě do tří následujících skupin: stacionární sítě, nomádní sítě, mobilní sítě. Stacionární sítě používají bezdrátové technologie, které umožňují komunikaci mezi jednotlivými zařízeními v klidovém stavu. To znamená, že zařízení musí být v průběhu 24
vysílání nebo přijímaní signálu pevně umístěna a nesmí měnit svoji polohu. Zařízení ve stacionárních sítích navíc nemění svoji polohu ani mezi jednotlivými vysíláními. Nomádní (kočovné) sítě jsou tvořené objekty, které komunikují v klidovém stavu stejně jako u sítí stacionárních. Oproti stacionárním sítím se ale vysílací a přijímací zařízení mohou mezi jednotlivými spojeními volně pohybovat. Pohybující se uživatel může v době zastavení využít pro připojení lokálních WiFi sítí, které mohou být umístěny na čerpacích stanicích, v řetězcích rychlého občerstvení nebo v prostředcích městské hromadné dopravy. Mobilní sítě podporují mobilitu všech zařízení, tedy zařízení vysílacích i přijímacích. Kvalita bezdrátové sítě je i během pohybu jednotlivých objektů dostačující. Tyto vlastnosti má například technologie GPRS nebo 3G sítě. Přehled některých technologií pro různé druhy sítí je uveden na obrázku Obr. 1 Příklad bezdrátových technologií podle druhu mobility. Obr. 1 - Příklad bezdrátových technologií podle druhu mobility, Zdroj: [11] 2.2.2 Dělení bezdrátových sítí dle oblasti použití Každá bezdrátová technologie pro komunikaci mezi jednotlivými účastníky sítě má jiné vlastnosti a hodí se tak pro jinou oblast využití. Některé technologie slouží k propojení dvou objektů bezprostředně vzdálených, jiné technologie umožňují komunikaci mezi zařízeními, která mohou být od sebe vzdálena stovky kilometrů. Podle oblasti použití se bezdrátové sítě dělí do následujících skupin: Rozlehlé sítě WAN (Wide Area Network), Metropolitní sítě MAN (Metropolitan Area Network), Lokální sítě LAN (Local Area Network), Osobní sítě PAN (Personal Area Network). [11] Konkrétní technologie pro jednotlivé skupiny jsou uvedeny v obrázku Obr. 2 Příklad bezdrátových technologií podle oblasti použití. 25
Obr. 2 - Příklad bezdrátových technologií podle oblasti použití, Zdroj: [11] 2.3 Bezdrátové lokální sítě WLAN Jak samotný název napovídá, komunikace mezi jednotlivými zařízeními WLAN probíhá bezdrátově, a to nejčastěji pomocí elektromagnetického vlnění. Přenos dat v sítích WLAN je zajištěn zejména technologií WiFi, která je definována pomocí standardů IEEE 802.11x organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Původní standard IEEE 802.11 byl v průběhu času rozšířen o doplňky, které rozšiřují nebo upravují předchozí specifikaci. V současné době je několik standardů nosných, které tvoří samostatné systémy pro výměnu dat na základě odlišného technického řešení. Tyto nosné standardy jsou doplněny o standardy rozšiřující, které jim přidávají nové funkce a vylepšují tak jejich vlastnosti. V následují části bakalářské práce budou významné standardy popsány a tento popis bude následován i přehledem připravovaných standardů. Další technologií, která patří do oblasti WLAN sítí, je WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), která je následníkem WiFi a zaměřuje se na zlepšení kvality signálu na větší vzdálenost. Tato technologie je definována standardem IEEE 802.16x. Významné standardy této technologie budou v následující části také popsány. 26
2.3.1 IEEE 802.11a Tento standard využívá pro svoji funkci bezlicenční pásmo 5 GHz. Organizací IEEE byl schválen roku 1999. V tomto pásmu je k dispozici 11 vzájemně se nepřekrývajících kanálů s odstupem 20 MHz, které jsou konkrétně v pásmu 5,470 5,725 GHz. Maximální vyzářený výkon je omezen na hodnotu 1W e.i.r.p. (equivalent isotropically radiated power střední ekvivalentní izotropicky vyzářený výkon), což je maximální výkon, který je možné vyzářit do okolí izotropní anténou. Tato hodnota ovšem platí pouze v případě, že je vysílací zařízení vybaveno automatickou regulací výkonu, která umožňuje snížení výstupního výkonu až na polovinu této hodnoty (- 3 db). V opačném případě nesmí maximální vyzářený výkon překročit hodnotu 0,5 W e.i.r.p. Maximální rychlost v tomto pásmu je teoreticky až 54 Mb/s, ale v reálném prostředí je tato rychlost nižší a závisí na parametrech použité rádiové trasy. Pro teoretickou rychlost 54 Mb/s se tak v běžných podmínkách dostaneme k rychlostem mezi 30 a 36 Mb/s. Standard podporuje i nižší rychlosti 48, 36, 24, 18, 12, 9 a 6 Mb/s. Tyto rychlosti vždy závisejí na okolních podmínkách a reálná rychlost tak může být nižší, ale za určitých předpokladů se rychlost může i zvyšovat. Tento standard používá pro rádiové vysílání ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Tato modulační metoda využívá více nosných kmitočtů s rovnoměrným odstupem, takže signál je rozdělen a vysílán na různých frekvencích. Jednotlivých subkanálů může být i několik stovek a navíc se tyto subkanály překrývají, a proto dochází k efektivnějšímu využití frekvenčního pásma. Multiplex OFDM se vyznačuje vysokou rychlostí modulace, ale je nevhodný pro použití na velké vzdálenosti a ve členitém terénu, kde jsou jeho vlastnosti horší než u modulace DSSS. Pro modulaci vlastních subkanálu je potom možné použít jakýkoliv typ modulace (BPSK, QPSK, 16 QAM či 64 QAM). [12] 2.3.2 IEEE 802.11b Standard z rodiny 802.11 se používá pro připojení uvnitř budov i v otevřeném prostoru. Pracovní pásmo pro tento standard je 2,4 GHz Bylo ČTÚ schváleno v roce 2000 k bezlicenčnímu využití. V tomto pásmu je k dispozici 13 kanálů, které jsou na frekvenci 2,412 GHz až 2,472 GHz. Mezi jednotlivými kanály je odstup 5 Hz, ale ideální šířka jednoho kanálu je 20 Hz až 24 Hz, a tak se jednotlivé kanály překrývají. Ve skutečnosti existují pouze tři kanály, které se nepřekrývají, a to jsou kanály 3, 6 a 11. Maximální vyzářený výkon je omezen na 100 mw e.i.r.p. 27
Nejvyšší teoretická rychlost u této normy je 11 Mb/s, která je dosažena pomocí tzv. doplňkového klíčového kódování CCK (Complementary Code Keying) v rámci DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum přímá posloupnost rozprostřeného spektra) modulace na fyzické vrstvě. DSSS modulace používá k rozprostření dat do širšího spektra Barkerovu sekvenci. Tím se zavádí mnohonásobná redundance, která zvyšuje spolehlivost přenosu dat. Maximální rychlost, která je pro tuto normu uváděna, je jen těžko dosažitelná a závisí na parametrech rádiové cesty. Při zhoršených podmínkách klesá na hodnoty 5,5 Mb/s, 2 Mb/s nebo až 1 Mb/s. Režie na vlastní přenos tvoří 30 až 40 % teoretické kapacity, a tak je skutečná průměrná rychlost kolem 5 6 Mb/s. [12] 2.3.3 IEEE 802.11 g Tento standard vznikl rozšířením standardu 802.11b z důvodu jeho nedostatečné rychlosti. Přijetí normy proběhlo v roce 2003 a tato norma je zpětně kompatibilní se standardem 802.11b. Maximální rychlost u tohoto standardu vzrostla na 54 Mb/s, čehož bylo dosaženo použitím OFDM na fyzické vrstvě (použita u standardu 802.11a). Ve skutečnosti jsou použity modulace dvě, a to DSSS a OFDM. Modulace DSSS zajišťuje zpětnou kompatibilitu s normou 802.11b a modulace OFDM umožňuje vysokou rychlost přenosu. Výsledná rychlost je závislá na použité modulaci. Při použití OFDM jsou podporované rychlosti 54, 48, 36 a 24 Mb/s pro modulaci 16-QAM, 18 a 12 Mb/s s pomocí QPSK, 9 a 6 Mb/s s využitím modulace BPSK. Při použití DSSS jsou rychlosti stejné jako 802.11b, a sice 11, 5,5, 2 a 1 Mb/s. Výsledná reálná rychlost je o něco nižší a opět je závislá na parametrech rádiové trasy, obvykle je do 30 Mb/s. Vliv na výslednou rychlost má také to, zda jsou do sítě připojeni i uživatelé se standardem 802.11b. V tom případě je systém přepnut do režimu požadavků o vysílání, aby nedocházelo ke kolizím na fyzické vrstvě, čímž se zvyšuje režie a dochází opět k poklesu přenosové rychlosti. [12] 2.3.4 IEEE 802.11n V dnešní době jde o nejpoužívanější standard, který vznikl z důvodu, aby se přenosové rychlosti u WiFi sítí vyrovnaly rychlostem Ethernetu a reálná propustnost tak dosahovala alespoň 100 Mb/s. Na standardu 802.11n, který může být provozován v pásmu 2,4 GHz i 5 GHz, se začalo pracovat již v roce 2003, ale k jeho finálnímu schválení došlo až v roce 2009. 28
V roce 2007 byl však schválen Draft 2.0 tohoto standardu, což umožnilo vznik zařízení, která tento standard podporovala. I u 802.11n je zajištěna zpětná kompatibilita se standardy 802.11a/b/g. Zvýšení rychlosti bylo dosaženo úpravou fyzické vrstvy PHY (Physical Layer) a části linkové vrstvy MAC (Media Access Control), takže maximální teoretická rychlost vzrostla až na 600 Mb/s. Ke změně došlo u modulace OFDM a zavedením nové technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output). Pozměněná OFDM modulace pracuje se šířkou pásma 20 nebo 40 MHz. V případě použití užšího pásma 20 MHz je toto pásmo rozděleno na 64 dílčích kanálů a z toho jich je 52 pro vlastní přenos dat. Pásmo 40 MHz se vlastně skládá ze dvou oddělených nepřekrývajících se 20 MHz pásem a je tedy rozděleno do 128 dílčích kanálů, z čehož jich je pro vlastní přenos dat 104. Při použití tohoto pásma ovšem přicházíme o zpětnou kompatibilitu s předešlými standardy. U OFDM došlo navíc ke snížení ochranného intervalu mezi vysíláním. [13] Další změnou je zavedení technologie MIMO, která umožňuje vícenásobným vysíláním a přijímáním signálu zvýšit kapacitu přenosu. Data jsou tak posílána po více rádiových kanálech, které se však vejdou do šířky pásma jednoho kanálu. Na každém kanálu jsou vysílána různá data. Technologie MIMO navíc dokáže pracovat i s odraženými signály, které se do přijímače dostávají s určitým zpožděním, a využívá je také k získání informace ze signálu. Nepracuje tedy pouze s přímými vlnami, čímž dochází k vyšší spolehlivosti obnovy dat. Výsledná rychlost je pak kromě parametrů rádiové cesty závislá i na počtu nezávislých signálů, které dokáže přijímač zpracovat. Maximální teoretické rychlosti 600 Mb/s lze dosáhnout použitím čtyř nezávislých signálů. [14] 2.3.5 IEEE 802.11e Standard schválený roku 2005 podporuje kvalitu služeb QoS (Quality of Service), čímž umožňuje nové využití pro WiFi sítě. Zejména jde o provoz aplikací pro přenos hlasu nebo videa, které jsou náchylné na zpoždění signálu. Tento standard upravuje linkovou vrstvu MAC, aby bylo možné použít všechny fyzické vrstvy používané ve WiFi sítích. Jde tedy o doplňkový standard, který přidává novou funkcionalitu stávajícím standardům 802.11. Hlavní funkcí je sledování provozu v síti a určování priority přenášených dat. Na základě priority je pak řízen přístup k médiu a přidělování síťových prostředků, tedy to, zda je možné vyhovět požadavku o přístup, respektive rezervování přístupu. 29
Řízení provozu je zajišťováno hybridní koordinační funkcí HCF (Hybrid Coordination Function), která má dvě metody přístupu k médiu, a to jsou HCCA (HCF Controlled Channel Access přístupová metoda ke kanálům řízená HCF) a EDCA (Enhanced DCF vylepšená DCF přístupová metoda ke kanálům). Obě tyto metody definují třídy provozu TC (Traffic Classes). [13] 2.3.6 IEEE 802.11i Standard schválený v roce 2004 byl vytvořen pro lepší zabezpečení WiFi sítí. Používá nový způsob šifrování a autentizací algoritmů, který je označován jako WPA2. Tento nový způsob lépe chrání data v síti a zamezuje neoprávněnému přístupu. Šifrování je prováděno pomocí blokové šifry AES (Advanced Encryption Standard) namísto dříve používané proudové šifry RC4 u metod WEP (Wired Equivalent Privacy) a WPA (WiFi Protected Access). Pro autentizaci je použit EAP (Extensible Authentication Protocol), což je autentizační rámec pro zprostředkování přenosu, a autentizační server. Pro šifrování je použit protokol CCMP (Counter Cipher Mode with Block Chaining Message Authentication Code Protocol), který využívá již zmíněnou šifru AES. Standard podporuje i šifrovací protokol TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), který využívá šifru RC4, ale protokol TKIP již v této době není považován za bezpečný. [13] 2.3.7 IEEE 802.11p Tento standard byl vytvořen proto, aby bezdrátové WiFi sítě umožňovaly připojení mobilních zařízení WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments). Jde o rozšíření stávajících standardů o podporu inteligentních dopravních systémů ITS (Intelligent Transport Systems). K finálnímu schválení standardu došlo v roce 2010. Hlavním cílem je, aby bylo možné používat WiFi sítě pro komunikaci mezi vozidly během jízdy a mezi vozidly a pevnou infrastrukturou. Změnou oproti předešlým standardům je využití licencovaného pásma 5,9 GHz, a tak možná kompatibilita se standardem DSRC (Dedicated Short Range Communications), který se používá zejména v USA. Stejně jako u 802.11a jsou zde použity modulace (BPSK, QPSK, 64-QAM či 16-QAM, BPSK, QPSK) a multiplex OFDM. Jen šířka pásma je namísto 20 Hz snížena na 10 Hz. Snížením šířky pásma je dosaženo lepších vlastností u vícecestného šíření signálů, ale dochází i k poklesu maximální přenosové rychlosti na 27 Mbit/s. Pokles rychlosti je možné vyřešit metodou sdružování kanálů. 30
Pro zlepšení dosahu byl zvýšen maximální vyzářený výkon na 30 W e.i.r.p. pro běžná použití a až na 48 W e.i.r.p. pro záchranné složky. [15] 2.3.8 IEEE 802.11ac V tomto případě jde o standard, který ještě není finálně schválen, ale na trhu jsou už zařízení, která tento standard podporují. Je také označován jako 5G WiFi, tedy jako Wifi páté generace. Standard je rozšířením 802.11n a jeho cílem je navýšení přenosové rychlosti, která může být teoreticky až 3,47 Gb/s. Jelikož je zde použita také technologie MIMO, je výsledná rychlost závislá na počtu antén, přičemž maximální rychlost je udávána pro zařízení o osmi anténách. Komunikace probíhá pouze v pásmu 5 GHz. Šířka pásma se může na rozdíl od starších standardů měnit, a to od 20 MHz do 160 MHz, přičemž nejběžnější šířka pásma je 80 MHz. Pro modulaci signálu jsou používány stejné modulace jako u 802.11n (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM), ale nově je navíc možné použít i 256-QAM. Došlo zde také k vylepšení technologie MIMO, která nyní umožňuje komunikaci s více zařízeními v jednom momentě. Toto vylepšení se označuje jako MU-MIMO (Multi User MIMO). Nově je zde povinně použita technologie formování paprsku Beamforming, která zvyšuje kapacitu a pokrytí. Principem této technologie je, že různé antény dokážou načasovat fáze signálu tak, aby se k přijímači dostal co nejsilnější. [16] 2.3.9 IEEE 802.16d Tento standard technologie WiMax byl vydán v roce 2004 a jde o takzvaně nemobilní WiMax, který se používá pro stacionární řešení. Jedná se o robustní řešení, které je vhodné pro použití v profesionálních aplikacích, a to díky propustnosti, kapacitě a podpoře řízení kvality služeb QoS. Oproti sítím WiFi má WiMax obecně větší dosah signálu, který může být až kolem 50 km, a nevyžaduje přímou viditelnost mezi základnovou stanicí a klientem. Pracuje v pásmu 2 11 GHz, kde jsou bezlicenční i licencované frekvence. V České republice se tato technologie využívá v pásmu 3,5 GHz, které je licencované. Maximální přenosová rychlost je 75 Mb/s. Pro modulaci signálu se využívá 64-QAM, 16-QAM nebo QPSK modulace. Pro rozdělení signálu se využívá OFDM s 256 kanály. Z důvodu zamezení kolizí při přístupu k médiu je zde použit časový multiplex TDM (Time Division Multiplex), který dovoluje vysílání pouze jednoho signálu. [12], [17] 31
2.3.10 IEEE 802.16e K vydání standardu došlo v roce 2005, a proto je také někdy označován jako 802.16-2005. K finálnímu schválení došlo v roce 2008. Rozšiřuje původní standard 802.16d, aby umožnil použití WiMax pro mobilní zařízení. Tento standard je vhodný pro různé telematické aplikace, které vyžadují bezdrátové připojení, delší dosah než WiFi sítě a řízení kvality služeb QoS. Tolerovaná rychlost pohybu takových zařízení je 150 km/h. Dosah signálu je přibližně 30 km, a proto tento standard řeší i předávání pohybující se stanice mezi jednotlivými základnovými stanicemi, tzv. handover. Z důvodu pohybu stanic dochází ke změně frekvence přijímaného signálu, která je způsobena Dopplerovým efektem. Standard řeší i tento problém, ale kvůli přidaným funkcím roste režie, která snižuje celkovou přenosovou kapacitu komunikace. Systém používá novější škálovatelnou modulaci SOFDMA (Scaleable OFDMA), která volí frekvence pro jednotlivé dílčí kanály na základě okolního prostředí, a tím zajišťuje lepší přenosové parametry i za nepřímé viditelnosti. Mobilní WiMax pracuje v pásmu 2 6 GHz, přičemž v Evropě je nejběžnější 2,5 a 3,5 GHz. Maximální přenosová rychlost se snížila na 15 Mb/s. [12], [18], [19] 2.3.11 IEEE 802.16m Standard vyvinutý jako vylepšení 802.16d a 802.16e zvyšuje přenosové kapacity u mobilní i nemobilní WiMax. Někdy bývá označován jako WiMax 2.0, tedy WiMax nové generace, ale i zde je zachována zpětná kompatibilita s předchozím standardem 802.16e. K finálnímu schválení došlo v roce 2011. Pro mobilní uživatele se rychlost navýšila minimálně na 100 Mb/s a u stacionárních uživatelů minimálně na 1 Gb/s. Systém používá také škálovatelnou modulaci SOFDM a pro zvýšení přenosové kapacity i technologii MIMO. Šířka pásma je 20 MHz nebo 40 MHz (2 x 20 MHz). [20] 32