VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

В наше время, большую ценность приобретает информация, мы уже не представляем жизнь без электронной почты, возможности виртуального общения, каждое утро у делового человека начинается с выхода в интернет для просмотра последних новостей, обмена личными сообщениями, иногда закачки фильмов и музыки.  Интернет стал играть доминирующую роль в нашей жизни. Во всем мире стремительно растет потребность в беспроводных соединениях, особенно в сфере бизнеса и управления.

Целью моей работы является проектирование сети беспроводного доступа в Жиганском Административно-бытовом комплексе, расположенный в селе Жиганск Жиганского района Республики Саха (Якутия), на базе технологии Wi-Fi. Данное здание введено в эксплуатацию совсем недавно.

Среди различных технологий организации локальной сети наиболее перспективной и удобной в этом случае является беспроводная сеть Wi-Fi. Создание такой сети, в новом Жиганском административном комплексе, в целях оптимизации работы специалистов, с возможностью быстрого доступа в интернет, и для развития коммуникационных связей особенно актуально.

В процессе разработки данной темы мною проведен:

-анализ беспроводной сети Wi-Fi, структура, принцип работы системы;

-выбор оборудования для организации сети;

-расчет дальности связи с учетом потерь сигнала при распространении в здании    административного комплекса;

    WLAN - это технология создания беспроводных локальных сетей, в которой используется алгоритм ортогонального мультиплексирования с разделением частот (OFDM) (за исключением версии 11b). В зависимости от конкретной спецификации максимальная дальность передачи лежит в диапазоне от нескольких до 100 метров. Сети WLAN работают в полосах частот (2,4 ГГц и 5 ГГц). Технология WLAN прекрасно приспособлена для использования сетевых протоколов IP и Ethernet. Поэтому она идеально подходит для организации беспроводного доступа в Интернет.

     Технологии WLAN базируются на семействе стандартов 802.11. Многие организации и домашние пользователи используют Wi-Fi (Технологии WLAN, базирующиеся на семействе стандартов 802.11, часто обозначают термином Wi-Fi. Изначально данный термин был введен организацией Wi-Fi Alliance, для обозначения продуктов серии стандарта 802.11b, однако сегодня этот термин применятся для продуктов, соответствующих любому стандарту из семейства 802.11) как альтернативу проводным локальным сетям.

     WI-FI - это возможность передачи данных между устройствами на короткие дистанции без помощи проводов. Устройства, подключенные по беспроводной  технологии образуют сеть.  Технология WiFi одна из самых перспективных на сегодняшний день в области компьютерной связи. WiFi (Wireless Fidelity) - в переводе с английского - «беспроводная преданность». Технологией Wi-Fi называют один из форматов передачи цифровых данных по радиоканалам.

     Схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с - наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт WiFi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения

Стандарт

	802.11g	802.11a	802.11n
Частотный диапазон, ГГц	2,4-2,483	5,15-5,25	2,4 или 5,0
Метод передачи	DSSS,OFDM	DSSS,OFDM	MIMO
Скорость, Мбит/с	1-54	6-54	6-300
Совместимость	802.11 b/n	802.11 n	802.11 a/b/g
Метод модуляции	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, QPSK OFDM	BPSK, 64-QAM
Дальность связи в помещении, м	20-50	10-20	50-100
Дальность связи вне помещения, м	250	150	500

 

Табл.1. Основные характеристики стандартов группы 802.11.

       Стандарт IEEE 802.11- Набор стандартов связи, для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 2,4; 3,6 и 5 ГГц.

       Пользователям более известен по названию Wi-Fi, фактически являющемуся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Получил широкое распространение благодаря развитию мобильных электронно-вычислительных устройств: КПК и ноутбуков. Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и, опционально, на скорости 2 Мбит/с.

      Стандарт IEEE 802.11g- Стандарт IEEE 802.11g, принятый в 2003 году, является логическим развитием стандарта 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи данных в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

    Стандарт IEEE 802.11a -принятый в 1999 году, предполагает использование уже более высокочастотного диапазона (от 5,15 до 5,350 ГГц и от 5,725 до 5,825 ГГц). В США данный диапазон называют диапазоном нелицензионной национальной информационной инфраструктуры (Unlicensed National Information Infrastructure, UNII). В соответствии с правилами FCC частотный диапазон UNII разбит на три 100-мегагерцевых поддиапазона, различающихся ограничениями по максимальной мощности излучения. Низший диапазон (от 5,15 до 5,25 ГГц) предусматривает мощность всего 50 мВт, средний (от 5,25 до 5,35 ГГц) - 250 мВт, а верхний (от 5,725 до 5,825 ГГц) - 1 Вт. Использование трех частотных поддиапазонов с общей шириной 300 МГц делает стандарт IEEE 802.11а самым широкополосным из семейства стандартов 802.11 и позволяет разбить весь частотный диапазон на 12 каналов, каждый из которых имеет ширину 20 МГц, причем восемь из них лежат в 200-мегагерцевом диапазоне от 5,15 до 5,35 ГГц, а остальные четыре канала - в 100-мегагерцевом диапазоне от 5,725 до 5,825 ГГц. При этом четыре верхних частотных канала, предусматривающие наибольшую мощность передачи, используются преимущественно для передачи сигналов вне помещений.

     Стандарт IEEE 802.11n официально начал разрабатываться 11 сентября 2002 года, то есть еще за год до окончательного принятия стандарта IEEE 802.11g. В России этот стандарт официально сертифицирован. Оборудование стандарта 802.11n разрешено к применению на территории России в диапазонах 2400-2483.5, 5150-5350 и 5650-5725 МГц приказом Министерства связи и массовых коммуникаций России от 14 сентября 2010 г. № 124 «Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа. Правила применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц». Подготовкой норм применения стандарта занимался ФГУП Научно-исследовательский институт радио (НИИР).

     Стандарт IEEE 802.11n основан на технологии OFDM-MIMO. Очень многие реализованные в нем технические детали позаимствованы из стандарта 802.11a, однако в стандарте IEEE 802.11n предусматривается использование как частотного диапазона, принятого для стандарта IEEE 802.11a, так и частотного диапазона, принятого для стандартов IEEE 802.11b/g. То есть устройства, поддерживающие стандарт IEEE 802.11n, могут работать в частотном диапазоне либо 5, либо 2,4 ГГц, причем конкретная реализация зависит от страны. Для России устройства стандарта IEEE 802.11n будут поддерживать частотный диапазон 2,4 ГГц.

     Сети стандарта 802.11 могут строиться по любой из следующих топологий:

1.Независимые базовые зоны обслуживания (In dependent Basic Service Sets, IBSSs);

2.Базовые зоны обслуживания (Basic Service Sets, BSSs);

3.Расширенные зоны обслуживания (Extended Service Sets, ESSs).

     Беспроводное оборудование, применяемое в Wi-Fi сетях

 

      Сегодня беспроводные сети позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями.

 

 Точки доступа Wi-Fi

 

      Все точки доступа можно разделить по способу подключения: через USB порт и порт подключения Ethernet - RJ45. Последние пользуются наибольшим успехом, так как наиболее просты в настройке и управлении, а также обладают большей скоростью передачи в локальную сеть. Точки доступа могут быть комнатного (in door) и всепогодного (out door) исполнения. Для создания беспроводной сети внутри помещений используют комнатный вариант прибора. Он обладает меньшей стоимостью и, как правило, большим эстетическим видом. Работают такие точки доступа в пределах одной или нескольких комнат. На открытых участках местности (прямая видимость) возможна работа на расстоянии до 300 метров с использованием стандартных всенаправленных антенн. Точки доступа всепогодного исполнения предназначены для создания радиосети между зданиями. В зависимости от типов антенн такие устройства способны организовывать каналы связи на расстоянии порядка 3-5 км. Максимальная дальность беспроводного канала связи заметно увеличивается при использовании усилителей. В этом случае длина радиоканала достигает 8-10 км.

Комбинированные устройства.

     Большой интерес вызывают беспроводные точки доступа, объединяющие в себе функции других устройств, например, высокоскоростного беспроводного широкополосного маршрутизатора со встроенным коммутатором Fast  Ethernet. Маршрутизатор позволяет быстро и легко настроить общий доступ к Интернет для проводной или беспроводной сети или организовать совместное использование широкополосного канала связи и кабельного/DSL модема дома или в офисе.

Wi-Fi адаптеры

 

      Для подключения к беспроводной сети Wi-Fi достаточно обладать ноутбуком или карманным персональным компьютером (КПК) с подключенным Wi-Fi адаптером.

     Любой беспроводной Wi-Fi адаптер должен соответствовать нескольким требованиям:

1.         необходима совместимость со стандартами;

2.         работа в диапазоне частот 2,4 ГГц - 2,435 ГГц (или 5 ГГц);

3.         поддерживать протоколы WEP и желательно WPA;

4.         поддерживать два типа соединения "точка-точка", и "компьютер сервер";

5.         поддерживать функцию роуминга.

Существует три основных разновидности Wi-Fi адаптеров, различаемых по типу подключения:

     -Подключаемые к USB порту компьютера. Такие адаптеры компактны, их легко настраивать, а USB интерфейс обеспечивает функцию "горячего подключения";

     -Подключаемые через PCMCIA слот (CardBus) компьютера. Такие устройства располагаются внутри компьютера (ноутбука) и поддерживают любые стандарты, позволяющие передавать информацию со скоростью до 108 Мбит/с;

         Устройства, интегрированные непосредственно в материнскую плату компьютера. Самый перспективный вариант. Такие адаптеры устанавливаются на ноутбуки серии Intel Centrino. И, в настоящее время используются на подавляющем большинстве мобильных компьютеров.

 

      Расчет сети Wi-Fi

     Для расчета сети выбрано двухэтажное здание Жиганского Административно-бытового комплекса, расположенного в с.Жиганск Жиганского района по адресу улица Аммосова дом 18. На рисунке 2 изображен план здания.

        Выбор оборудования, Выбор точки доступа

 

Для нашей сети мы выбираем D-Link DWL-8600AP - унифицированная беспроводная точка доступа следующего поколения, соответствующая стандарту IEEE 802.11n. Данная точка доступа предназначена для развертывания сетей в режиме автономной беспроводной точки доступа или в режиме управляемой точки доступа, управление которой осуществляется при подключении к беспроводному коммутатору. Предприятия могут начать работу с организации сети с помощью одной интеллектуальной точки доступа DWL-8600AP, предоставляющей ряд расширенных функций LAN, а затем в любое время перейти к централизованной системе управления после подключения аналогичной точки доступа DWL-8600AP к унифицированному проводному/беспроводному коммутатору.

Точка доступа DWL-8600AP является обратно совместимой с устройствами стандарта 802.1a/b/g и позволяет настройку 2x2:2* в обоих направлениях Tx/Rx. Технология Multiple In Multiple Out (MIMO) и каналы с увеличенной пропускной способностью увеличивают физическую скорость передачи данных при использовании стандарта 802.11n. MIMO обеспечивает одновременную передачу нескольких сигналов с помощью нескольких антенн вместо одной. Вид DWL-8600AP представлен на рисунке 7.

 DWL-8600AP обеспечивает максимальную скорость беспроводного соединения для каждого из частотных диапазонов. При одновременной работе в двух диапазонах частот можно создать две сети, использующие полную полосу пропускания беспроводного канала, что позволит повысить общую производительность беспроводной сети. Кроме того, DWL-8600AP остается полностью обратно совместимой с оборудованием стандарта 802.11b, работающим на частоте 2,4ГГц.

DWL-8600AP непрерывно сканирует оба диапазона частот и связанные с ними каналы для обнаружения несанкционированных подключений, обеспечивая при этом соединение для мобильных клиентов. DWL-8600AP поддерживает такие функции как 64/128/152-битное WEP-шифрование данных, WPA/WPA2 и Multiple SSID для каждого радиочастотного канала. При подключении к коммутатору DWS-4026 эти функции наряду с фильтрацией MAC-адресов и запретом широковещания SSID могут использоваться для настройки параметров безопасности и ограничения доступа во внутреннюю сеть извне. DWL-8600AP поддерживает 802.1Q VLAN Tagging и WMM (Wi-Fi Multimedia) для передачи данных таких приложений как VoIP и потоковое аудио/видео с заданным приоритетом.

  Диапазон частот

	от 2,4 ГГц до 2,497 ГГц
Модуляция	PSK/CCK, DQPSK, DBPSK, OFDM
Выходная мощность передатчика (Типичная для каждой скорости соединения)	2.4GHz Band/HT-20	2.4GHz Band/HT-40
	17 dBm при MCS0/8 17 dBm при MCS1/9 16 dBm при MCS3/11 16 dBm при MCS4/12 14 dBm при MCS6/14	16 dBm при MCS0/8 16 dBm при MCS1/9 15 dBm при MCS3/11 15 dBm при MCS4/12 13 dBm при MCS6/14
Чувствительность приемника	2.4GHz Band/HT-20	2.4GHz Band/HT-40
	-85 dBm при MCS0/8 -82 dBm при MCS1/9 -77 dBm при MCS3/11 -74 dBm при MCS4/12 -68 dBm при MCS6/14	-82 dBm при MCS0/8 -79 dBm при MCS1/9 -74 dBm при MCS3/11 -71 dBm при MCS4/12 -65 dBm при MCS6/14
Антенны	Коэффициент усиления: 4dBi для частоты 2,4 ГГц

 Табл.2. общие характеристики оборудования DWL-8600AP

     Выбор беспроводного коммутатора

 Серия коммутаторов DWS-4026 включает в себя унифицированные проводные/беспроводные коммутаторы Gigabit Ethernet следующего поколения, поддерживающие ряд расширенных функций и стандарт 802.11n. Благодаря возможности управления до 64 беспроводных точек доступа DWL-8600AP и до 256 точек доступа DWL-8600AP в кластере коммутаторов, DWS-4026 является полнофункциональным и экономичным решением для среднего и крупного бизнеса и провайдеров услуг. Вид DWS-4026 представлен на рисунке 4.

Так как DWS-4026 использует различные механизмы, такие как предварительная аутентификация и кэширование ключей, беспроводные клиенты могут свободно перемещаться в зоне действия сети без необходимости повторной аутентификации. Быстрый роуминг осуществляется без разрыва соединения, обеспечивая надежную работу соединения для таких мобильных приложений, как беспроводная IP-телефония и беспроводное подключение КПК. Более того, DWS-4026 поддерживает функцию туннелирования между точками доступа, которая используется для поддержки роуминга уровня 3 для беспроводных клиентов без перенаправления каких-либо данных трафика к унифицированному коммутатору. Это поможет значительно оптимизировать сетевой трафик и сохранить полосу пропускания.

DWS-4026 поддерживает функцию «самовосстановления» сети, увеличивающей отказоустойчивость беспроводной сети. Чтобы восполнить недостаточную зону покрытия в результате выхода из строя точки доступа (например, из-за сбоя питания), коммутатор автоматически увеличивает выходную мощность передатчика соседних точек доступа, чтобы увеличить их зону покрытия. Для обеспечения непрерывного подключения существующих клиентов, коммутатор выполняет балансировку нагрузки между точками доступа, когда сетевой трафик достигает определенного порогового значения. В то же время коммутатор отклоняет подключение новых клиентов к точке доступа для того, чтобы избежать перегрузки полосы пропускания. Благодаря функции «самовосстановления» сети и балансировке нагрузки между точками доступа, коммутатор DWS-4026 может эффективно управлять полосой пропускания, оптимизировать трафик WLAN и обеспечить зону максимального покрытия.

Основные характеристики представлены в таблице 3.

Табл. 3 - общие характеристики оборудования DWS-4026

 

Характеристика	Значение
Функции управления WLAN	До 64 точек доступа, подключенных к коммутатору  До 256 точек доступа в кластере До 2048 беспроводных клиентов (1024 пользователей при использовании туннелирования, 2048 пользователей, если туннелирование не используется)
Управляемые точки доступа	DWL-8600AP
Коммутационная матрица:	88 Гбит/с
Макс. скорость передачи пакетов:	65,47 Mpps
Метод коммутации	Store and Forward
Размер буфера пакетов	750 КБ
Размеры	440 (Ш) x 389 (Г) x 44 (В) мм
Вес	6кг
Температура	Рабочая температура: от 0° до 40° C

 

     В качестве возможного абонентского оборудования можно использовать ноутбук, работающий в стандарте 802.11n, или использовать телефон, работающий в том же стандарте.                                                     Расчет сети

     Рассчитаем реальную дальность связи. Рассмотрим формулу расчёта потерь в свободном пространстве:

 где FSL (free space loss) - потери в свободном пространстве, дБ;

F- Центральная частота канала, на котором работает система связи (МГц);

 - расстояние между двумя точками, км.

FSL определяется суммарным усилением системы, используя выражение:

 где  - мощность передатчика;

 - чувствительность приемника на данной скорости;

 - коэффициент усиления передающей антенны;

 - коэффициент усиления приемной антенны;

 - потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах передающего тракта, определяются следующим выражением:

 где α=1 дб/м - погонное затухание в кабеле передающего тракта

- потери сигнала в коаксиальном кабеле и разъемах приемного тракта, определяются по выражению (2.3).

= 0, в следствие близости антенны к устройству.

=1 дб/м*3=3дб.

SOM (System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи, дБ. Учитывает возможные факторы отрицательно влияющие на дальность связи, такие как:

• температурный дрейф чувствительности приемника и выходной мощности передатчика;
• всевозможные погодные аномалии: туман, снег, дождь;
• рассогласование антенны, приёмника, передатчика с антенно-фидерным трактом.

Параметр SOM берётся равным 15 дБ. Считается, что 15-ти децибельный запас по усилению достаточен для инженерного расчета.

- затухание сигнала в стенах, величина затуханий в зависимости от среды распространения сигнала приведена в таблице 2.6. С учетом прохождения радиосигнала в стенах здания берем равное 10 дБ.

 Табл. 4. Затухание радиосигнала от среды распространения сигнала

Наименование	Ед. изм.	Значение
Стеклопакет в металлической раме	дБ	6
Офисная стена (бетон)	дБ	10
Железная дверь в бетонной стене	дБ	7
Стекловолокно	дБ	0,5-1

 

     В итоге дальность связи находится по формуле:

           Для каждой скорости приёмник имеет определённую чувствительность. Для небольших скоростей чувствительность наивысшая, для высоких скоростей, чувствительность намного меньше.

     Подставляем исходные данные и рассчитываем дальность связи при использовании ноутбука. В нашем случае скорость передачи данных составляет от 1Мб/с до 270Мб/с чувствительность приемника, будет следующей.

 

Табл. 5. - Зависимость чувствительности от скорости передачи данных

 

Мощность передатчика	Скорость	Чувствительность
13 dBm	270 Мбит/с	-68 дБм
15 dBm	108 Мбит/с	-68 дБм
16 dBm	54 Мбит/с	-68 дБм
17 dBm	11 Мбит/с	-85 дБм
18 dBm	6 Мбит/с	-88 дБм
18 dBm	1 Мбит/с	-90 дБм

 

Результаты расчета представлены в таблице 6

.Скорость передачи

1Мбит/c	18	-90	12	4	3	0	96	590
6 Мбит/c	18	-88	12	4	3	0	94	470
11Мбит/c	17	-85	12	4	3	0	90	290
54Мбит/c	16	-68	12	4	3	0	72	40
108Мбит/c	15	-68	12	4	3	0	71	30
270Мбит/c	13	-68	12	4	3	0	69	20

 

        Проведем те же расчеты для случая использования коммуникатора-андроида, используя в качестве исходных данных зависимость чувствительности от скорости передачи данных, представленную в таблице 7.

Табл. 7 - Зависимость чувствительности от скорости передачи данных

 

Мощность передатчика	Скорость	Чувствительность
13 dBm	270 Мбит/с	-68 дБм
15 dBm	108 Мбит/с	-68 дБм
16 dBm	54 Мбит/с	-72 дБм
17 dBm	11 Мбит/с	-78 дБм
18 dBm	6 Мбит/с	-82 дБм
18 dBm	1 Мбит/с	-85 дБм

 

  Результаты расчета приведены в таблице 8.

 

Скорость передачи
1Мбит/c	18	-85	12	2	3	0	89	260
6 Мбит/c	18	-82	12	2	3	0	86	190
11Мбит/c	17	-78	12	2	3	0	81	100
54Мбит/c	16	-72	12	2	3	0	74	40
108Мбит/c	15	-68	12	2	3	0	69	20
270Мбит/c	13	-68	12	2	3	0	67	20

 В процессе разработки проекта мною был проведен анализ беспроводной сети Wi-Fi, ее структура, принцип работы; осуществлен выбор оборудования для организации сети; рассчитана дальность связи при работе в сети с ноутбуком и коммуникатором с учетом потерь сигнала при распространении в здании Административного комплекса.

В результате расчетов получили сеть Wi-Fi стандарта 802.11 n. Для проектируемой сети были выбраны две точки доступа D-Link DWL-8600AP располагающихся по одной на каждый этаж в центральном фойе, коммутатор D-Link DWS-4026, размещаемый на крыше, сервер. Для расчетов выбрали в качестве абонентского оборудования ноутбук и коммуникатор. При работе в сети с ноутбуком на скорости передачи от 1-270Мб/с дальность связи уменьшается с 590 до 20 метров, что с учетом длины здания 67 м, позволяет реализовать сеть с достаточным уровнем принимаемого сигнала. Работая в сети с коммуникатором, на скорости передачи от 1-270Мб/с получили дальность связи, уменьшающуюся с 260- 20 метров.

 Список использованной литературы

 

          1. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. Учебник. - Санкт-Петербург, 2001г.

          2. Щербо В.К. Стандарты вычислительных сетей. - М.: Кудиц - Образ, 2000г.

          3. «Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. Практическое руководство по изучению, разработке и использованию беспроводных ЛВС стандарта 802.11» / Педжман Рошан, Джонатан Лиэри. - М.: Cisco Press Перевод с английского. Издательский дом «Вильямс»,2004г.

4. «WLAN: практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей» / Томас Мауфер. - М.: КУДИЦ-Образ, 2005г.

5. «Беспроводные сети. Первый шаг» / Джим Гейер. - М.: Издательство: Вильямс, 2005г.

Код для цитирования: Скопировать