Normami proslulá organizace IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) se specifikací bezdrátových LAN zabývá teprve od roku 1990. Již nyní však vytvořila některé standardy, jejichž přehledem začněme.
Nyní se zaměříme na 802.11 WLAN, jichž dnes existuje několik typů. Všechny sdílejí stejný protokol přístupu k médiu (Media Access Protocol, MAC) a liší se pouze řešením fyzické vrstvy.
Jako protokol MAC se využívá metoda Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA). Princip přístupu je podobný jako u Ethernetu s CSMA/CD, kdy stanice musí naslouchat, zda je přenosové médium volné.
Protože pro bezdrátové vysílače neexistuje žádná možnost detekovat kolize vzniklé ve vzduchu "křížícími" se vlnami, využívá se pro jejich detekci systém potvrzování. Kromě samotného přenosu dat je protokol MAC zodpovědný také za mechanizmus počátečního spojení (association) a opětovného spojení (reassociation) koncové stanice s přístupovým bodem, podobně jako za management napájení z baterie a volitelně za autentizaci.
Bezdrátová lokální síť (buňka) může pracovat ve dvou konfiguracích (Basic Service Set, BSS).
V nezávislé konfiguraci (ad hoc) mezi sebou stanice komunikují přímo a není třeba instalovat žádnou podpůrnou infrastrukturu. Taková konfigurace je mimořádně vhodná pro náhodná uspořádání (trvající podle potřeby hodiny, ale i měsíce), avšak nehodí se pro rozsáhlá řešení.
Konfigurace infrastruktury, s distribučním systémem, předpokládá existenci přístupového bodu (Access Point, AP), který funguje jako základnová rádiová stanice a současně datový most.
Přístupový bod je centrem každé WLAN a je nepohyblivý. Tato konfigurace předpokládá propojení s distribučním systémem, tedy klasickou LAN (nejčastěji Ethernet).
Každá koncová stanice (klient) si najde "svůj" přístupový bod (na základě pravidelně vysílaného signálu od AP) a komunikuje pouze s ním. Klienti WLAN používají síťový adaptér, který obsahuje vysílač, přijímač, anténu a hardware (802.11 PC karta, PCI, ISA NIC apod.).
IEEE 802.11Obecné bezdrátové lokální sítě IEEE 802.11 mohou být fyzicky řešeny jedním ze tří způsobů:
Volné kmitočtové pásmo 2,4 GHz využívají zařízení jako bezdrátové telefony, mikrovlnné trouby i Bluetooth (průmyslová specifikace bezdrátové osobní sítě), takže může a musí docházet ke vzájemnému rušení jednotlivých zařízení.
Největším problémem původní normy pro WLAN (802.11) byla nízká přenosová rychlost. "Rychlé rozšíření" (High Rate, HR) základní normy IEEE 802.11b (1999), je přesná podskupina normy 802.11b, která je přezdívaná Wi-Fi (Wireless Fidelity). WiFi poskytuje vyšší rychlosti v pásmu 2,4 GHz, a to až 11 Mbit/s. Pro jejich dosažení využívá nový způsob kódování, tzv. doplňkové kódové klíčování (Complementary Code Keying, CCK) v rámci DSSS na fyzické vrstvě.
Norma specifikuje, že podle momentální rušivosti prostředí se dynamicky mění rychlost na nižší nebo naopak na vyšší: 11 Mbit/s, 5,5 Mbit/s, 2 Mbit/s až 1 Mbit/s. Maximální rychlost na fyzické vrstvě je sice 11 Mbit/s, ale užitná rychlost je nižší, protože 30-40 procent teoretické kapacity tvoří režie. Testovaná uživatelská rychlost se udává kolem 6 Mbit/s.
Dosah sítě je kolem 100 m, ale výkonnější vysílač může tuto vzdálenost přesáhnout. 802.11b není dobře uzpůsobena k přenosu hlasu, proto se rychle pracovalo na "nápravě" v návazných verzích normy.
Produkty pro 802.11b jsou již ve velkém výběru k dispozici a také testovány WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) na vzájemnou spolupráci.
Bezdrátové lokální sítě (WLAN) podle 802.11b (WiFi) se rychle ujímají vlády nad místní komunikací, ať firemní nebo domácí. Aby však skutečně mohly zvítězit na plné čáře, několik "drobností" jim chybí. Především jde o přenosovou rychlost, která se pohybuje u 802.11b v řádu jednotek Mb/s.
Kromě tohoto problému u nich mohou nastat potíže s rušením s jinými zařízeními v otevřeném pásmu 2,4 GHz. V neposlední řadě 802.11b nezajišťuje kvalitu služeb (QoS) a dostatečnou bezpečnost komunikace. Z těchto důvodů se IEEE zabývá řadou doplňků k IEEE 802.11 (802.11d, e, f, h, i, j) a dalších variant WLAN, jako 802.11a a 802.11g.
WLAN IEEE 802.11a (norma byla schválena 1999 - práce na ní byla zahájena dříve než na 802.11b, ale vyžádala si delší čas vzhledem ke složitějšímu způsobu přenosu na fyzické vrstvě) na rozdíl od 802.11b pracuje již v licenčním pásmu 5 GHz a s výrazně vyšší teoretickou rychlostí 54 Mb/s (skutečná přenosová rychlost se pohybuje do 30-36 Mb/s, v tzv. turbo režimu).
Pro její dosažení se poprvé v paketových komunikacích používá ortogonální multiplex s kmitočtovým dělením (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM), který se dosud uplatňoval pouze ve systémech jako DAB (Digital Audio Broadcasting) nebo DVB (Digital Video Broadcasting).
Výhoda 802.11a oproti 802.11b není ale jen ve vyšších rychlostech, ale také v použitém kmitočtu. Pásmo na 5 GHz je méně vytíženo a dovoluje využití více kanálů bez vzájemného rušení. Rozdílně využívané kmitočty u obou typů WLAN znemožňují jejich vzájemnou spolupráci. 802.11a nabízí až osm nezávislých, nepřekrývajících se kanálů. Kmitočet 5 GHz nutný pro IEEE 802.11a je ale v Evropě věnován konkurenční WLAN, HIPERLAN/2 a proto na něj můžeme zapomenout.
Samozřejmě v Evropě se mnohde s 802.11a lze setkat, dílčí povolení existují a všichni usilují o možnost uvolnění rezervovaného spektra pro HiperLAN i pro další rádiové LAN.
Zatímco produkty pro 802.11b jsou již ve velkém výběru značek k dispozici a otestovány WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) na vzájemnou spolupráci, o prvcích pro 802.11a se totéž říci nedá. Testy se zatím připravují pod označením Wi-Fi5. Proto stávající sítě 802.11b zřejmě nebudou v rámci modernizace přecházet na 802.11a, ale budou čekat na specifikaci a produkty 802.11b vylepšené podle 802.11g.
Tento dokument řeší práci komunikačních mostů v rámci podvrstvy MAC (Media Access Control) 802.11 a je doplňkem k mezinárodní normě IS 10038 (IEEE 802.1D) o transparentních mostech (konkrétně protokolu Spanning Tree Protocol, STP). Doplněk byl schválen v roce 1998.
Norma IEEE 802.11d upravuje 802.11b pro jiné kmitočty s cílem umožnit nasazení WLAN v místech, kde pásmo 2,4 GHz není dostupné (většina zemí tento kmitočet na základě doporučení ITU-T, International Telecommunications Union - Telecommunications Standardizartion Sector, uvolnila). Norma, která je někdy nazývána jako "internacionalizace" 802.11, byla schválena roku 2001.
IEEE 802.11e doplňuje podporu pro kvalitu služeb QoS (s využitím Time Division Multiple Access, TDMA) a opravu chyb do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických vrstev používaných v IEEE 802.11 sítích, kromě ad hoc typů sítí. Norma měla být schválena už v loňském roce, ale momentálně se návrh doplňku reviduje.
Nový projekt IEEE 802.11f vylepšuje mechanismus předávání stanic (roaming) při přechodu mezi dvěma rádiovými kanály nebo z jedné sítě do sousední s připojením k jinému přístupovému bodu. Protokol IAPP (Inter-Access Point Protocol) má umožnit spolupráci přístupových bodů od různých výrobců ve WLAN s distribučním systémem na základě specifikace informací, které si musí při předávání stanic vyměňovat.
Původní norma 802.11 se nezabývala podrobnostmi implementace přístupových bodů a distribučního systému, které navíc zahrnují i záležitosti vyšších vrstev (nejen nejnižších dvou, které definuje WLAN). Volnost v návrhu jednotlivých systémů zákonitě vede k neschopnosti spolupráce mezi zařízeními různých výrobců.
Připravovaná norma IEEE 802.11g rozšiřuje 802.11b na 54 Mb/s. Systémy podle ní mají být slučitelné s 11 Mb/s WLAN, včetně všech připravovaných doplňků: 802.11d - internacionalizace, 802.11e - kvalita služeb a 802.11i - bezpečnost. 802.11g bude znamenat vlastně další alternativu k 802.11a a 802.11b.
Řešení fyzické vrstvy je zde založeno na OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), podobně jako 802.11a. Pro zpětnou slučitelnost s 802.11b podporuje také CCK (Complementary Code Keying); volitelně rovněž modulaci PBCC (Packet Binary Convolutional Coding) jako ústupek vůči Texas Instruments (nepřináší nic nového).
Tři modulační mechanizmy budou moci pracovat simultánně, takže přístupové body podle 802.11g budou schopny podporovat jak stávající uživatele, tak nové klienty s vyššími rychlostmi. Práce 802.11b CCK, 802.11b PBCC a 802.11g OFDM vedle sebe, na stejném kmitočtu a v totožném místě ale může vést ke vzájemnému rušení.
Připravovaný doplněk IEEE 802.11h vylepšuje řízení využití kmitočtového spektra (výběr kanálu a řízení vysílacího výkonu) a doplňuje 802.11a. Evropští regulátoři požadují pro schválení produktů 802.11a použití dynamického výběru kanálu (Dynamic Channel Selection, pro venkovní i vnitřní komunikaci) a řízení vysílacího výkonu (Transmit Power Control) u zařízení pracujících na kmitočtu 5 GHz. IEEE 802.11h má právě tyto možnosti doplnit do normy 802.11a.
Tyto doplňky se budou tedy týkat pouze pásma 5 GHz, nikoli 2,4 GHz.
IEEE 802.11i doplňuje bezpečnost do podvrstvy MAC na podporu všech fyzických vrstev používaných v IEEE 802.11 sítích; místo WEP (Wireless Encryption Privacy) použije nový způsob šifrování: Advanced Encryption Standard (AES).
IEEE 802.11j představuje nejnovější záměr IEEE pro řešení koexistence 802.11a a HIPERLAN/2 na stejných vlnách. HIPERLAN/2 je evropská norma využívající pásmo 5 GHz a podporující rychlosti (na fyzické vrstvě) do 54 Mb/s. Mezi výhody HIPERLAN/2 patří, že používá OFDM a má zabudovanou podporu pro QoS (řešení fyzické vrstvy totiž vychází z bezdrátového Asynchronous Transfer Mode, ATM).
| typ WLAN | Rychlost na fyzické vrstvě | Skutečná rychlost | Pásmo | Dosah | Modulace | Norma/produkty |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 802.11a | 54 Mb/s | 30 Mb/s | 5 GHz | 80 m | OFDM | 1999 / 2002 |
| 802.11b | 11 Mb/s | 6 Mb/s | 2,4 GHz | 100 m | DSSS | 1999 / 2005 |
| 802.11c | 54 Mb/s | ? | 2,4 GHz | 150 m | OFDM/DSSS | 2002- / 2003 |
Rychlejší varianta probíraného 802.11b (WiFi), 802.11a je silná hlavně v Americe, ale v Evropě bude ustoupit jiné specifikaci - HIPERLAN z dílny ETSI. Jedná se o komunikaci v pásmu 5 GHz na krátké vzdálenosti (cca do 100-150 metrů) umožňující teoretickou kapacitu až 54 Mbit/s.
Používané pásmo je bezlicenční, v Evropě přímo vyhrazené pro HIPERLAN (proto jsou zatím nejasnosti ohledně možného konkurenčního nasazení IEEE 802.11a pracujícího ve stejné frekvenci, ale nesplňujícího další stanovené podmínky pro práci bezdrátových systémů - dynamický výběr pracovního kmitočtu a řízení vysílacího výkonu).
Technické parametry zařízení HIPERLAN musí odpovídat normě ČSN ETS 300 836-1" (evropská specifikace ETSI týkající se typového schvalování HIPERLAN/1, převzatá jako česká státní norma). Přípustná jsou zařízení vnitřních rádiových sítí s vyzařovaným výkonem do 200 mW EIRP (Effective Isotropic Radiated Power), a to v pásmu 5.150 - 5.350 GHz.
U pásma 5.250 - 5.350 GHz platí ještě podmínka: "Systém musí být vybaven řízením vysílacího výkonu tak, aby se dosáhlo činitele potlačení rušení minimálně 3 dB. Systém musí být dále vybaven dynamickým výběrem pracovního kmitočtu se zařízením výběru kanálu, který zajistí rovnoměrné rozložení zatížení kmitočtového pásma."
HIPERLAN je uzpůsobena na přenos různých tříd datového provozu (dat, hlasu i obrazu), protože má zabudovanou podporu pro zajištění kvality služeb (Quality of Service, QoS) stejnou formou jako ATM (Asynchronous Transfer Mode). Zatímco IEEE 802.11 má své kořeny v Ethernetu a IP, a proto má s dosažením podpory pro QoS problémy (které řeší až připravovaná specifikace IEEE 802.11e), ETSI HIPERLAN je založena na bezdrátovém ATM, a tak je QoS jeho nedílnou součástí.
Vnitřní / vnější sítě 5.470 MHz - 5.725 MHz (s limitem pro střední vyzařovaný výkon 1 W)
Používané pásmo je bezlicenční, v Evropě přímo vyhrazené pro HIPERLAN (proto jsou zatím nejasnosti ohledně možného konkurenčního nasazení IEEE 802.11a pracujícího ve stejné frekvenci, ale nesplňujícího další stanovené podmínky pro práci bezdrátových systémů - dynamický výběr pracovního kmitočtu a řízení vysílacího výkonu).
Technické parametry zařízení HIPERLAN musí odpovídat normě ČSN ETS 300 836-1" (evropská specifikace ETSI týkající se typového schvalování HIPERLAN/1, převzatá jako česká státní norma). Přípustná jsou zařízení vnitřních rádiových sítí s vyzařovaným výkonem do 200 mW EIRP (Effective Isotropic Radiated Power), a to v pásmu 5.150 - 5.350 GHz.
U pásma 5.250 - 5.350 GHz platí ještě podmínka: "Systém musí být vybaven řízením vysílacího výkonu tak, aby se dosáhlo činitele potlačení rušení minimálně 3 dB. Systém musí být dále vybaven dynamickým výběrem pracovního kmitočtu se zařízením výběru kanálu, který zajistí rovnoměrné rozložení zatížení kmitočtového pásma."
HIPERLAN je uzpůsobena na přenos různých tříd datového provozu (dat, hlasu i obrazu), protože má zabudovanou podporu pro zajištění kvality služeb (Quality of Service, QoS) stejnou formou jako ATM (Asynchronous Transfer Mode). Zatímco IEEE 802.11 má své kořeny v Ethernetu a IP, a proto má s dosažením podpory pro QoS problémy (které řeší až připravovaná specifikace IEEE 802.11e), ETSI HIPERLAN je založena na bezdrátovém ATM, a tak je QoS jeho nedílnou součástí.
HIPERLAN/2 je nejnovější specifikace bezdrátové lokální sítě, která již má plně vyhovovat současným i budoucím potřebám komunikace a aplikacím s různými nároky na zpoždění či šířku pásma (zejména multimediální přenosy v reálném čase). Na první pohled se jedná o evropskou síť, ale na specifikaci ve skutečnosti spolupracují i Japonci a rovněž ostatní svět o ni má zájem.
HIPERLAN/2 je zajímavá díky své kapacitě (jak vysoká rychlost, tak počet uživatelů), propustnosti díky ekonomickému využití spektra 5 GHz, vysoké bezpečnosti, podpoře pro QoS, efektivní správě spotřeby energie bezdrátových zařízení a možnostem autokonfigurace (plug 'n' play).
Jinak HIPERLAN/2 pracuje podobně jako 802.11a - uživatelé připojují svá mobilní zařízení (Mobile Terminal, MT) k přístupovému bodu sítě (Access Point, AP). V rámci dosahu AP se mohou bez problémů pohybovat, slabší signál si vyžádá předání k sousednímu.
Připojené přístroje mohou komunikovat buď přímo mezi sebou (direct mode) nebo přes AP (centralized mode). AP provádí centrální plánování provozu, čímž je účelná zejména při zvyšujícím se počtu účastníků a při různých kvalitách služeb.
HIPERLAN/2 na rozdíl od svého předchůdce používá technologii multiplexování OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), která se využívá také u IEEE 802.11a. Fyzická vrstva je u obou konkurenčních specifikací prakticky stejná.
Evropská HIPERLAN/2 se od Americké 802.11a liší v řešení MAC.
802.11a vychází z principu Ethernetu (s obdobnou metodou přístupu Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance, CSMA/CA).
HIPERLAN/2 implementuje deterministické přidělování práva na vysílání.
Podvrstva MAC u HIPERLAN/2 pracuje v režimu časového duplexu (Time-Division Duplex, TDD), kdy rámce obsahující řídicí informace spolu s uživatelskými daty se v obou směrech (uplink, downlink) posílají v délce (časových úsecích) 2 milisekundy (na úrovni MAC jde tedy o komunikaci se spojením, connection-orinted).
Tyto krátké intervaly umožňují řešení QoS, zejména pro provoz citlivý na zpoždění a výkyvy.
Automatické plánování kmitočtů, které nabízí funkce dynamického výběru frekvence (Dynamic Frequency Selection, DFS), výrazně zjednodušuje instalaci a rozšíření. HIPERLAN/2 díky své vrstvě konvergence spolupracuje s nejrůznějšími typy sítí, které na ni mohou navazovat: Ethernet, IEEE 1394 (Firewire), ATM nebo mobilní 3G.
