UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

Antene Radio,Dispozitive radio WIFI

Iliuta VirgilBalint George

GRUPA 441A

NOTIUNI GENERALE

Pentru realizarea unei linii de radiocomunicatie de orice tip, este necesar să existe un emitător, un receptor si instalatiile de antenă-fider, care realizează, adaptarea acestora cu mediul prin care se propagă undele electromagnetice.

Functionarea aparaturii de emisie si receptie se studiază la cursuri independente. Pentru cunoasterea temeinică a functionării liniei radio nu este sufieientă numai însusirea acestora, trebuie cunoscute si instalatiile de antenă-fider si de asemenea, particularitatea propagarii undelor radio.

Antenele se utilizează atât pentru radierea cât si pentru captarea undelor radio. Denumirea de antenă, vine de la cuvintul latin “antenna”, care înseamnă catarg, bară, tija. Aceasta se explică prin faptul că primele antene utilizate au fost realizate sub formă de ba -re sau tije metalice.

Antenele se leagă de emitător si receptor prin intermediul liniei de alimentare numită si fider. Cuvântul englez “feed” înseamnă a alimenta, iar feeder- alimentator. Fiderul este destinat pentru transmiterea energiei de înaltă frecventă de la emitător la antenă sau de la antenă la receptor. Ca fider se utilizează linia simetrică, nesimetrică sau ghidul de undă.

Energia dată de o sursă de curent continuu sau alternativ, ca să poată fi radiată, trebuie transformată în prealabil în energie a curentilor de înaltă frecventă. Mai mult decât atât, pentru a transmite informatie acesti curenti trebuie să fie modulati, adică prin intermediul semnalului de transmis trebuie să fie modificată într-un fel amplitudinea, faza sau frecventa lor. Curentii de înaltă frecventă modulati intră în antenă (fig.1.1) care transformă energia lor în energia radiată sub forma undelor radio.

În unele cazuri, undele radio nu trebuie să fie radiate în toate directiile, ci numai într-o directie determinată sau numai într-un anumit plan. La statiile de radiodifuziune si televiziune este preferabil ca undele să se propage numai de-a lungul suprafetei pământului (în plan orizontal); la statiile terestre pentru legături prin sateliti artificiali ai Pămintului, numai în directia satelitului, la statiiile de radiolocatie în directia tintei etc. Deci este necesar ca instalatiile de antenă-fider să aibă o selectivitate spatială numită directivitate.

Fig.1.1. Schema bloc a instalatiei de emisie

2

Totodată antenele functionează bine numai în banda de frecvente si cu instalatia pentru care au fost proiectate, ele au deci si o selectivitate în frecventă.

Antena de emisie are rolul de a transforma energia curentilor de înaltă frecventă în energia undelor electromagnetice si de a asigura radierea acestora în directii bine determinate.

Instalatia de receptie are principalul rol de a reproduce semnalul purtător de informatie, care a modulat undele radiate de antena de emisie. Energia necesară pentru reproducere este luată de la o sursă locală (fig.1.2). Rolul energiei captate de antenă, este de a comanda energia locală, dându-i forma necesară pentru reproducerea semnalului receptionat. În prealabil, este necesar să se efectueze transformarea energiei undelor, în energie a curentilor de inalta frecventă.

Functionarea instalatiei de receptie se complică datorită faptului că antena sa se găseste sub actiunea unei multitudini de semnale perturbatoare, radiate de antenele altor statii de radio, provocate de descărcările electrice din atmosferă, de periile motoarelor de tramvai, troleibuz, etc.

Fig.l.2 Schema bloc a instalatiei de receptie.

Actiunea dăunătoare a undelor radio nedorite poate fi înlăturată pe diferite cai. Metodele sunt expuse în manualele care tratează probleme legate de receptoare radio.

Deci, antena de receptie are rolul de a transforma energia undelor radio, în energia curentilor de înaltă frecventă, asigurând în acelasi timp si o selectare a semnalului util.

Antenele de emisie si de receptie, care transformă energia dintr-o formă în alta, fac parte din clasa motoarelor si generatoarelor, întrebuintate în diferite domenii ale tehnicii. Aceasta constatare este foarte importantă din doua puncte de vedere. În primul rând, permite o justă orientare în conditiile tehnice pe care trebuie să le satisfacă antenele. În al doilea rând, permite să se folosească în studiul antenelor, unele legi comune tuturor generatoarelor de o forma sau alta.

O antenă de receptie, care apare în esentă ca un generator de energie electrica, se supune în ce priveste calculul curentului la borne, a puterii s.a.m.d, acelorasi legi de bază ca si generatoarele de curent. Un motor electric si un generator sunt reversibile. După cum se va arăta, si antenele

3

(de emisie si receptie) sunt reversibile si permit să se determine proprietătile unei antene de receptie, pe baza datelor de functionare ale aceleiasi antene, utilizată ca antenă de emisie si invers.

CLASIFICAREA ANTENELOR

Principiile de functionare si particularitătile constructive ale antenelor de diferite tipuri depind în sare măsură, de gama de frecvente în care lucrează. Din acest motiv înaintea clasificării propriuzise a antenelor, se va face o prezentare a modului cum este împărtit conventional spectrul undelor electromagnetice. Undele radio sunt unde electromagnetice cu frecventa cuprinsă între limitele

.Cercetarile din ultimii ani arată că în natură, există fenomene la care

apar unde radio de frecventă foarte joasă, ce poate fi exprimată în miimi de Hz. Astfel de unde apar din cauza fluctuatiilor fluxului de electroni si protoni, emis de Soare, la trecerea acestora prin atmosfera terestră.

Undele radio cu frecventa foarte joasă sunt strâns legate de undele mecanice, care apar într-o plasmă si care au primit denumirea de unde magnetohidrodinamice. Unde radio cu frecventă foarte joasă apar si la descărcările electrice atmosferice.

În ce priveste limita superioară a frecventei undelor radio, pâna nu de mult, se indicau frecvente în jur de , în gama undelor submilimetrice. Cercetarile din ultimul timp au aratat ca generatoarele moleculare permit generarea undelor radio din gama optică, care cuprinde si gama undelor ultraviolete.

Pe măsura dezvoltării stiintei si tehnicii limita superioară a frecventei undelor radio va depasi limita conventională de . Clasificarea undelor radio si denumirea lor se face în multe moduri. Cea mai cunoscută este însa asa numita împărtire zecimală (Tabelul 1.1). Denumirea undelor este legată de lungimea de undă în vid.

Tabelul 1.1

4

Nume   Simbol  

Gama de frecvente

Lungime de undă   Aplicatii  

Frecvente extrem de joase ELF 3 to 30 Hz 10,000 km to

100,000 kmaudibile 20+ Hz, comunicatii cu submarine

Frecvente super joase SLF 30 to 300 Hz 1,000 km to

10,000 km

audibile, reteaua de alimentare (50 Hertz sau 60 Hertz)

Frecvente ultra joase ULF 300 Hz to 3 kHz 100 to 1000

kmaudibile, comunicatii cu mine

Frecvente foarte joase VLF 3 to 30 kHz 10 to 100 km

audibile gama 20 Hz la 20 kHz (pentru a fi audibile energia trebuie convertită in sunet)

Frecvente joase LF 30 to 300 kHz 1 to 10 kmRadiodifuziune internatională , navigational beacons, lowFER

Frecvente medii MF 300 to 3000 kHz 100 m to 1 km

navigational beacons, radiodifuziune AM, comunicatii maritime si aviatie

Frecvente inalte HF 3 to 30 MHz 10 to 100 m unde scurte Frecvente foarte inalte VHF 30 to 300 MHz 1 to 10 m radiodifuziune FM,

televiziune, aviatie

Frecvente ultra inalte UHF 300 to 3000

MHz 10 to 100 cmtelevision, telefonie mobilă, retele wireless, cuptoare cu microunde

Frecvente super inalte SHF 3 to 30 GHz 1 to 10 cm retele wireless, radar,

legături prin satelit

Frecvente extrem de inalte EHF 30 to 300 GHz 1 to 10 mm

Legături de date în microunde, radioastronomie, telecomenzi, sisteme avansate de armament.

Benzile de frecvente reglementate de IEEE US sunt:Banda Gama de Originea denumirii

5

frecventeHF 3 to 30 MHz High FrequencyVHF 30 to 300 MHz Very High FrequencyUHF 300 to 3000 MHz Ultra High FrequencyL 1 to 2 GHz Long waveS 2 to 4 GHz Short waveC 4 to 8 GHz Compromis intre S and XX 8 to 12 GHz Folosite in secolul XX pentru conducerea

focului, X (are forma reticulului din sistemele de ochire)

Ku 12 to 18 GHz German Kurz-under(sub) K 18 to 26 GHz Kurz (scurt)Ka 26 to 40 GHz Kurz-above (deasupra)V 40 to 75 GHzW 75 to 111 GHz W urmează după V în alfabet

Benzile de frecvenţe folosite în domeniul radiocomunicatiilor militare şi codificarea acestora, adoptate de ţările membre U.E. si N.A.T.O. sunt:

Banda

Gama de Frecvente

A 0 to 0.25 GHzB 0.25 to 0.5 GHzC 0.5 to 1.0 GHzD 1 to 2 GHzE 2 to 3 GHzF 3 to 4 GHzG 4 to 6 GHzH 6 to 8 GHzI 8 to 10 GHzJ 10 to 20 GHzK 20 to 40 GHzL 40 to 60 GHz

Benzile de frecventă utilizate pentru ghiduri de undă:Band

aGama de frecvente

6

R 1.70 to 2.60 GHzD 2.20 to 3.30 GHzS 2.60 to 3.95 GHzE 3.30 to 4.90 GHzG 3.95 to 5.85 GHzF 4.90 to 7.05 GHzC 5.85 to 8.20 GHzH 7.05 to 10.10 GHzX 8.2 to 12.4 GHzKu 12.4 to 18.0 GHzK 15.0 to 26.5 GHzKa 26.5 to 40.0 GHzQ 33 to 50 GHzU 40 to 60 GHzV 50 to 75 GHzW 75 to 110 GHzY 325 to 500 GHz

TEHNOLOGIA WI FI

Wi-Fi este numele comercial pentru tehnologiile construite pe baza standardelor de comunicație din familia IEEE 802.11 utilizate pentru realizarea de rețele locale de comunicație (LAN) fără fir (wireless, WLAN) la viteze echivalente cu cele ale rețelelor cu fir electric de tip Ethernet. Suportul pentru Wi-Fi este furnizat de diferite dispozitive hardware, și de aproape toate sistemele de operare moderne pentru calculatoarele personale (PC), rutere, telefoane mobile și cele mai avansate console de jocuri.

Standardul IEEE 802.11 descrie protocoale de comunicație aflate la nivelul gazdă-rețea al Modelului TCP/IP, respectiv la nivelurile fizic și legătură de date ale Modelului OSI. Aceasta înseamnă că implementările IEEE 802.11 trebuie să primească pachete de la protocoalele de la nivelul rețea (IP) și să se ocupe cu transmiterea lor, evitând eventualele coliziuni cu alte stații care doresc să transmită.

802.11 face parte dintr-o familie de standarde pentru comunicațiile în rețele locale, elaborate de IEEE, și din care mai fac parte standarde pentru alte feluri de rețele, inclusiv standardul 802.3, pentru Ethernet. Cum Ethernet era din ce în ce mai popular la jumătatea anilor 1990, s-au

7

depus eforturi ca noul standard să fie compatibil cu acesta, din punctul de vedere al transmiterii pachetelor.

Standardul a fost elaborat de IEEE în anii 1990, prima versiune a lui fiind definitivată în 1997. Acea versiune nu mai este folosită de implementatori, versiunile mai noi și îmbunătățite 802.11a/b/g fiind publicate între 1999 și 2001. Din 2004 se lucrează la o nouă versiune, intitulată 802.11n și care, deși nu a fost definitivată, este deja implementată de unii furnizori de echipamente.

Din punct de vedere al securității, IEEE și Wi-Fi Alliance recomandă utilizarea standardului de securitate 802.11i, respectiv a schemei WPA2. Alte tehnici simple de control al accesului la o rețea 802.11 sunt considerate nesigure, cum este și schema WEP, dependentă de un algoritm de criptare simetrică, RC4, nesigur.

Limitările standardului provin din mediul fără fir folosit, care face ca rețelele IEEE 802.11 să fie mai lente decât cele cablate, de exemplu Ethernet, dar și din folosirea benzii de frecvență de 2,4 GHz, împărțită în 12 canale care se suprapun parțial două câte două. Limitările date de consumul mare de energie, precum și de reglementările privind puterea electromagnetică emisă, nu permit arii de acoperire mai mari de câteva sute de metri, mobilitatea în cadrul acestor rețele fiind restrânsă. Cu toate acestea au apărut și unele tehnologii care permit legături fără fir bazate pe standardul 802.11 între două puncte fixe aflate la distanțe de ordinul sutelor de kilometri.

Standardele IEEE 802.11

Standardul IEEE 802.11 a fost initiat in 1990 si finalizat in 1997 pentru a acoperi retelele care asigura conexiunile fara fir intre statii fixe, portabile si in miscare pe arie locala;

In loc de un singur standard (IEEE 802.11b), exista un intreg alfabet de variante wireless din care userii pot alege. 802.11a, 802.11b, 802.11g si 802.11h concureaza pentru preferinta userului, ca tehnologii de baza,cu 802.11n asteptând la rând. Iar 802.11c, 802.11d, 802.11e, 802.11f si 802.11i adauga inca putina culoare acestui amestec.

8

Fig.3 Alfabetul 802.11

STIVA DE PROTOCOALE IEEE 802.11

Nivelul fizic

Prima specificație IEEE 802.11, elaborată în 1997, permitea trei moduri principale de transmitere fără fir a biților. Prima dintre acestea era o tehnologie optică, cu transmitere în infraro ș u , tehnologie similară cu cea folosită de telecomenzile diferitelor aparate electronice. Aceasta presupune însă limitarea ariei de acoperire a rețelei la încăperea în care este instalată, fapt ce poate fi văzut și ca avantaj din punctul de vedere al securității. Viteza oferită de această tehnologie este de maximum 1–2 Mbps.

Celelalte două tehnologii de transmisie sunt tehnologii radio în banda de 2,4 GHz, bandă ce nu necesită licențe de utilizare. Din cauza libertății de utilizare a acestei benzi, ea este folosită și de alte tehnologii, cum ar fi Bluetooth sau telefoanele fixe cordless, ceea ce poate cauza uneori interferențe, deși în general puterea de transmisie a tuturor acestor dispozitive este redusă.Stiva protocoalelor IEEE 802.11, cu corespondența în modelele de

9

referință OSI și TCP/IP

Protocoale Wi-Fi NivelOSI

NivelTCP/IP

LLC (802.2)Legăturăde date Gazdă–

rețea

DCF CSMA/CA MAC PCF MAC 

Infraroșu FHSS DSSS OFDM(802.11a)

HR-DSSS(802.11b) 802.11g Fizic

Prima se numește FHSS (spectru împrăștiat cu salturi de frecvență), și, pentru a aloca eficient frecvențele din banda de 2,4 GHz, presupune schimbarea periodică a frecvenței de transmisie, în urma unor numere pseudoaleatoare generate de stațiile care comunică. Cealaltă tehnologie radio este DSSS (spectru împrăștiat cu secvență directă). Ambele oferă rate de transfer de maxim 1 sau 2 Mbps.

În 1999, IEEE a mai standardizat două modalități de transmisie, cu scopul de a mări ratele de transfer, și anume OFDM (multiplexare cu divizare în frecvențe ortogonale), o tehnică simiară cu CDMA, prin aceea că transmisia este prezentă simultan pe mai multe frecvențe; și HR-DSSS, modalitate similară spectrului împrăștiat cu secvență directă, dar cu o rată mai ridicată de transmitere a fragmentelor, în bandă mai îngustă. OFDM permite, teoretic, viteze de transmisie de până la 54 Mbps, și a fost standardizată sub denumirea IEEE 802.11a. HR-DSSS permite viteze de 1, 2, 5,5 sau 11 Mbps, între care poate schimba pe parcursul transmisiei. Standardul HR-DSSS a fost denumit IEEE 802.11b. În 2001, IEEE a publicat standardul 802.11g, o specificație ce combină banda îngustă a HR-DSSS cu tehnica de modulație OFDM.

Din 2004, IEEE are în lucru și standardul 802.11n, care deja a început să fie implementat de mai mulți producători de echipamente. Data așteptată a definitivării specificației este iunie 2010. Prin acest standard, la nivelul fizic se aduc tehnologiile MIMO și Channel Bonding. MIMO presupune folosirea de mai multe antene pentru a trata semnalele multicăi (unde ajunse la antenă pe alte căi decât de cea directă, prin reflexie, la momente de timp diferite de undele venite pe calea directă). MIMO profită de semnalele multicăi, folosind Space Division Multiplexing (SDM) și multiplexând semnalele în fluxuri spațiale. Fiecare flux spațial necesită la receptor și transmițător o antenă separată. Channel Bonding înseamnă folosirea a două canale separate, fiecare cu o lățime de bandă de 20 MHz pentru transmisia datelor, dublând rata fizică de transfer. IEEE și-a propus, prin tehnologia 802.11n să ofere un standard ce poate furniza rate de transfer de 270 Mbps.

10

Subnivelul accesului la mediu

Există două tehnici principale de acces la mediu în standardul 802.11. Una este funcția de coordonare distribuită (în engleză Distributed Control Function, DCF), prin care stațiile controlează fiecare propriul acces la mediu, similar Ethernetului, constituind o rețea ad-hoc fără fir. Cealaltă metodă de control al accesului la mediu se numește funcție de coordonare punctuală (Point Coordination Function, PCF) și implică arbitrajul centralizat al accesului la mediu, cu ajutorul unei stații de bază.

Problema staţiei ascunse: A încearcă să transmită lui B în timp ce C transmite deja; A crede că nu va fi nicio coliziune. Problema staţiei expuse: B vrea să-i transmită lui A în timp ce C transmite altcuiva. B crede că va avea loc coliziune la A

Funcția de coordonare distribuită

S-a încercat ca modelarea nivelului legătură de date a standardului IEEE 802.11 să fie cât mai similară cu standardul 802.3 (Ethernet), deja familiar implementatorilor. Realizarea controlului accesului la mediu prin tehnica CSMA/CD de la Ethernet nu este însă posibilă, deoarece caracteristicile mediului sunt foarte diferite. La Ethernet, exista întotdeauna certitudinea că, odată transmis un semnal pe mediu (cablu), acesta ajunge la toate stațiile din domeniul de coliziuni. În cazul 802.11 mediul nu mai este însă cablul, ci eterul. Domeniul de coliziuni este aici mărginit de puterea de transmisie a emițătorului radio al stației care transmite și este influențat de poziția spațială a stațiilor, ducând la

11

probleme ca stația ascunsă și stația expusă, probleme ce afectează funcționarea CSMA/CD.

Problema stației ascunse apare când o stație A transmite unei stații B în timp ce aceasta din urmă primește mesaje de la o altă stație C, aflată în afara ariei de acoperire a lui A. A nu recepționează semnalul trimis de C, deci nu poate detecta coliziunea în caz de transmisie pe aceeași frecvență. Similar, problema stației expuse apare în exemplul de mai sus dacă B vrea să-i transmită lui A, ascultă canalul și constată că în acel moment transmite C, dar A și C nu se văd una pe cealaltă și la destinație nu ar fi nicio coliziune. Din aceste motive, CSMA/CD nu este utilizabil în contextul rețelelor fără fir.

Cum coliziunile sunt foarte greu de detectat, IEEE a recurs la o altă strategie de control al accesului la mediu, și anume CSMA cu evitarea coliziunilor (CSMA with collision avoidance, CSMA/CA). Cum canalul trebuie să fie liber și la transmițător și la destinatar, transmițătorul transmite doar când simte canalul liber. În acel moment, el trimite un cadru RTS (Request To Send) și așteaptă răspunsul o perioadă, repetând cererea dacă trece un anumit timp. Destinatarul, dacă este liber, răspunde cu un CTS (Clear To Send). După primirea CTS, transmițătorul trimite cadrul de date, după care așteaptă confirmarea receptorului. Toate stațiile altele decât cele două și care primesc un RTS sau un CTS transmis de altcineva își iau o perioadă de așteptare în care nu transmit, pentru a evita coliziunea cu cadrele transmise de celelalte stații.

Funcția de coordonare punctuală

În cazul funcției de coordonare punctuală, există o așa-numită stație de bază, care poate fi un punct de acces IEEE 802.11, un ruter cu capabilități IEEE 802.11, sau un calculator cu interfață de rețea 802.11 configurată în modul de lucru master. Această funcție de coordonare se bazează pe ideea că stația de bază este cea care controlează accesul la mediu, acordând câte o cuantă de timp fiecărui dispozitiv conectat. În acest fel, întrucât stațiile transmit doar atunci când li se permite, sunt evitate coliziunile. Periodic, stația de bază emite un cadru-baliză (beacon frame) care conține setări privind conexiunea fizică (de exemplu, duratele de timp pentru saltul de la o frecvență la alta în cazul utilizării FHSS) și care cere stațiilor ce doresc să se conecteze să anunțe acest lucru. Stația de bază poate, de asemenea, în cazul în care poate păstra într-un buffer cadrele primite, să ceară unei stații conectate să treacă în stand-by și să o trezească atunci când aceasta a primit mai multe cadre.

12

Operarea mixtă

Cele două funcții, coordonarea punctuală și cea distribuită, nu sunt mutual exclusive, ele putând fi folosite simultan în aceeași rețea. Pentru aceasta, un cadru de confirmare (ACK) venit în urma transmiterii unui cadru de date este urmat de o perioadă de „liniște”, în care, după anumite perioade de timp, se pot trimite diferite alte tipuri de cadre (cadre baliză ale stației de bază, cadre RTS/CTS, sau cadre ce semnalează erori).

Controlul logic al legăturii

Controlul logic al legăturii (Logical Link Control, LLC) este un subnivel al nivelului legătură de date din modelul OSI care se ocupă cu controlul fluxului datelor. La acest nivel se preiau pachetele de la protocoalele de nivel 3 (de exemplu, IP sau IPX) și se adaugă într-un antet LLC informații necesare la destinație pentru a decide cărui protocol sunt destinate pachetele respective.

Fiind independent de mediul de transmisie, LLC a fost standardizat de IEEE sub numele de IEEE 802.2, mult înainte de elaborarea standardului 802.11, fiind utilizat deja și în alte tehnologii de rețea din seria IEEE 802, cum ar fi Ethernet sau FDDI. Folosirea de către 802.11 a subnivelului LLC așa cum este el definit în standardul 802.2 a ajutat la îndeplinirea scopului de a realiza o tehnologie fără fir compatibilă cu Ethernet.

Formatul cadrului

Există mai multe tipuri de cadre transmise în cadrul IEEE 802.11—cadre de confirmare, cadre RTS/CTS, cadre de date, cadre ce semnalează diverse erori, cadre de autentificare, asociere sau reasociere cadre baliză, cadre de căutare și răspuns la căutare. Ele sunt identificate în primul rând după primii doi octeți ai acestora, care formează antetul de control al cadrului. Semnificația fiecărui bit din acest antet este cea din tabelul următor:

Câmp Dimensiune [biți] Semnificație

13

Versiune 2 Specifică versiunea de MAC pe care o implementează acest cadru

Tip 2 Identifică tipul cadrului: poate lua trei valori: cadru de date, cadru de control sau cadru de gestiune

Subtip 4 Identifică mai precis tipul de cadru. De exemplu, cadrele de control pot fi RTS, CTS sau confirmări.

Către DS 1 Arată direcția cadrului (dacă este de la stație spre sistemul de distribuție)

De la DS 1 Invers decât bitul anterior

MF 1 Semnalează faptul că acesta este un cadru multifragment

Reîncercare 1 Semnalează faptul că acest cadru este retransmis după un eșec

Consum 1 Bit prin care stația de bază pune receptorul în așteptare sau îl trezește din starea de așteptare

Mai mult 1 Arată că transmițătorul mai are cadre de trimis receptorului

WEP 1 Semnalizează criptarea prin metoda WEP

Ordine 1Arată că acest cadru, împreună cu celelalte care au acest bit setat trebuie să fie preluate în ordinea în care au fost transmise

Celelalte câmpuri ale cadrului sunt descrise astfel:

14

Câmp Dimensiune [octeți] Semnificație

Controlul cadrului 2 Fiecare bit are semnificația dată în tabelul de mai sus

Durată 2

Durata estimată de ocupare a canalului, antet folosit de cadrele de control (RTS/CTS). Acest antet este citit de stațiile terțe, pentru a ști cât timp să stea în așteptare atunci când detectează transmiterea lui.

Adresă 1 6Există patru câmpuri de adresă. Primele două reprezintă, respectiv, adresa transmițătorului și cea a receptorului. Celelalte sunt folosite în cazul comunicației între celule diferite ale aceleiași rețele—fiind respectiv adresa celulei sursă și a celulei destinație

Adresă 2 6

Adresă 3 6

Secvență 2 Reprezintă numărul de secvență (primii 12 biți) și numărul de fragment (ultimii patru biți)

Adresă 4 6 A patra adresă

Date 0–2312 În cazul cadrelor de gestiune și al cadrelor de date, aici stă încărcătura informațională a cadrului.

Suma de control 4

Folosită pentru a asigura integritatea datelor. Se calculează cu ajutorul CRC (în caz de transmisie necriptată sau criptată cu WEP), algoritmului Michael (în cazul WPA) sau CCMP (în cazul WPA2)

Fiecare cadru poate conține maxim 2304 octeți de date utile, dimensiunea minimă a câmpului de date fiind de 2312 octeți, pentru a face loc posibilului overhead al WEP. Nu toate cadrele folosesc toate câmpurile. De exemplu, cadrele de control nu folosesc adresele 3 și 4, nici secvența și nici datele.

15

Tehnologia

Retelele wireless se impart in doua clase importante, factorul decisiv fiind frecventa de banda. Tehnologiile mostenite folosesc banda de 2.4 GHz, in timp ce variantele ulterioare folosesc banda mai lata, de 5 GHz. ` Prima clasa include standardul The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11b (11 Mbps) si succesorul sau, 802.11g (54 Mbps). Aceasta prima clasa este, in prezent, cea mai frecventa optiune.b) Pe de alta parte, 802.11a si 802.11h, ambele putând sa obtina o rata nominala de 54 Mbps, opereaza in banda de 5 GHz.

802.11b - a fost ratificat de IEEE in 16 septembrie 1999 si este, probabil, cel mai popular protocol de retea wireless utilizat in prezent. Utilizeaza tipul de modulatie DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Opereaza in banda de frecvente ISM (Industrie, Stiinta, Medicina); nu sunt necesare licente atât timp cât se utilizeaza aparatura standardizata. Limitarile sunt: puterea la iesire de pâna la 1 watt iar modulatiile numai de tipul celor care au dispersia spectrului cuprinsa intre 2,412 si 2,484 GHz. Are o viteza maxima de 11 Mbps cu viteze utilizate in prezent de aproximativ 5 Mbps.

802.11g a fost ratificat in iunie 2003. In ciuda startului intârziat, acest protocol este, in prezent, de facto protocolul standard in retelele wireless, deoarece este implementat practic pe toate leptopurile care au placa wireless si pe majoritatea celorlalte dispozitive portabile. Foloseste aceeasi subbanda de frecvente din banda ISM ca si 802.11b, dar foloseste tipul de modulatie OFDM (Orthogonal Frecvency Division Multiplexing). Viteza maxima de transfer a datelor este de 54 Mbps, cu implementari practice la 25 Mbps. Viteza poate cobori pâna la 11 Mbps sau chiar la valori mai mici, trecând la tipul de modulatie DSSS, pentru a se realiza compatibilitatea cu mult mai popularul protocol 802.11b.

802.11a a fost ratificat de IEEE in 16 septembrie 1999. Utilizeaza tipul de modulatie OFDM. Are o viteza maxima de 54 Mbps cu implementari de pâna la 27 Mbps. Opereaza in banda ISM intre 5,745 si 5,805 GHz si in banda UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) intre 5,170 si 5,320 GHz. Aceasta il face incompatibil cu 802.11b sau 802.11g. Frecventei utilizate mai mari ii corespunde o bataie mai mica la aceeasi putere de iesire si, cu toate ca in subgamele utilizate spectrul de frecvente este mai liber in comparatie cu cel din jurul frecventei de 2,4 GHz, in unele zone din lume, folosirea acestor frecvente nu este legala. Utilizarea

16

unui echipament bazat pe acest protocol in exterior se poate face numai dupa consultarea autoritatilor locale. De aceea, echipamentele cu protocolul 802.11a, cu toate ca sunt ieftine, nu sunt nici pe departe la fel de populare ca cele cu 802.11b/g.

802.11h, care este numita in SUA o “problema de compatibilitate in Europa”, este varianta europeana a standardului american. Cele mai importante functionalitati ale acesteia sunt selectarea dinamica a frecventei si puterea variabila a transmitatorului, pe care European Telecommunications Standards Institute (ETSI) o mandateaza pentru piata europeana pentru a se asigura ca sistemele au o putere a transmitatorului rezonabila.

IEEE 802.11c specifica metode de wireless bridging, adica, metode de conectare a unor tipuri diferite de retele prin mijloace wireless.

802.11d este numit si “World Mode”: acest lucru se refera la diferentele regionale din tehnologii, de exemplu cât de multe si care canale sunt disponibile pentru utilizare si in care regiuni ale lumii. Ca user, trebuie doar sa numiti tara in care doriti sa folositi placa WLAN si driverul se ocupa de restul.

IEEE 802.11e defineste Quality-of-Service si extensiile streaming pentru 802.11a/ h si g. Scopul este de a imbunatati retelele de 54 Mbps pentru aplicatii multimedia si Voice over IP, adica, telefonie prin retele IP si internet. Pentru a fi utilizate cu multimedia si voce, reteaua rebuie sa suporte ratele garantate pentru fiecare serviciu, cu intârzieri minime depropagare.

802.11f descrie metodele de schimbare a standardului (“Roaming”) intre access point-uri, iar IAPP, Inter Access Point Protocol, se ocupa de detalii.

Implementari hardware

În general, dispozitivul necesar pentru realizarea unei rețele 802.11 este interfața de rețea prezentă pentru dispozitivele ce trebuie conectate. Se fabrică interfețe de rețea 802.11 PCI și miniPCI (pentru laptopuri), dar și dispozitive USB sau PCMCIA. Multe laptopuri au interfața de rețea integrată, ca și multe PDA-uri și smartphone-uri. Folosind aceste dispozitive, se poate realiza o conexiune peer-to-peer, cu funcție de coordonare distribuită pentru controlul accesului la mediu.

17

Un ruter IEEE 802.11 cu trei antene pentru utilizatori casnici

De asemenea, există puncte de acces wireless, dispozitive care fac conexiunea la nivelul legătură de date între o rețea cablată și una fără fir, controlând accesul la mediu prin funcția de coordonare punctuală. Mai multe puncte de acces coordonate între ele pot fi folosite pentru a acoperi o suprafață mai mare. Punțile sunt dispozitive similare punctelor de acces, ele fiind folosite în general pentru stabilirea unei conexiuni fără fir între două rețele cablate—lucru necesar în cazul în care nu se poate sau nu este practic să se întindă un cablu între cele două rețele, cum ar fi cazul între două clădiri aflate pe părți diferite ale unei străzi.

Mulți producători de echipamente comercializează dispozitive care combină un ruter cu un switch Ethernet și, eventual, cu un modem ADSL într-un sistem care oferă soluții accesibile pentru crearea și administrarea unei rețele casnice. Acestea sunt de cele mai multe ori furnizate împreună cu un firmware configurabil ce poate realiza NAT, firewalling sau control al ratei de transfer și poate funcționa ca server DNS și DHCP; în locul firmware-ului dedicat, se pot folosi sisteme de operare multiplatformă pentru astfel de rutere, cum ar fi DD-WRT, un sistem bazat pe nucleul Linux. Unele astfel de dispozitive pot avea și porturi USB, și pot astfel funcționa ca print-servere (împreună cu o imprimantă USB) sau ca servere de fișiere (împreună cu unități de stocare USB).

Standardul IEEE 802.11 (1997) si variantele sale, IEEE 802.11b si IEEE 802.11a (1999), specifica debitele, benzile de frecvente si metodele de transmisiune prezentate in tabelul care urmeaza.

18

Specificatiile standardului IEEE 802.11 prevad trei variante de implementare pentru nivelul fizic:

• folosind spectru imprastiat cu salt de frecventa (FHSS),• folosind spectru imprastiat cu secventa directa (DSSS) • folosind radiatii in infrarosu (IR).

Standardul IEEE 802.11 prevede transmisiunea cu debite de 1 Mb/s si 2 Mb/s in banda de 2,4 GHz (banda ISM - Industrial, Scientific and Medical band), metodele de transmisiune radio recomandate fiind FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - Spectru imprastiat cu salt de frecventa) si DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum - Spectru imprastiat cu secventa directa).

FH-SSSistemele care au la baza FH-SS utilizeaza banda ISM (Industrial,

Scientific and Medical band) de 2,4GHz. In SUA sunt specificate maxim 79 de canale pentru salturi de frecventa. Primul canal are frecventa centrala de 2,402 GHz iar celelalte canale sunt distantate cu 1 MHz.

Prin împrastierea spectralã în cadrul comunicatiilor RF se întelege o diviziune în frecventã, în timp sau pe baza unei scheme de codare, a benzii disponibile. Mesajele ce urmeazã a fi transmise sunt si ele în mai multe pãrti numite pachete, care vor fi transmise pe anumite segmente ale spectrului astfel divizat. Metoda numitã Frequency division spread spectrum sau Frequency hopping este folositã constã în împãrtirea spectrului în diferite frecvenþe sau canale. Urmând aceastã metodã mesajul continut într-un singur pachet este transmis pe un anumit canal, apoi dispozitivul radio selecteazã un alt canal – proces numit salt sau hopping cãtre o altã frecventã – pentru a transmite urmãtorul pachet, si procesul se repetã în acelasi mod pânã se transmite întregul mesaj, prin aceasta efectuându-se o împrãstiere a mesajului pe întregul spectru disponibil.

19

Sistemele care folosesc DS-SS lucreaza de asemenea banda ISM de 2,4 GHz. In acest caz pentru transmisiunile cu viteza de baza de 1Mb/s se foloseste modulatie diferentiala binara cu comutarea fazei (DBPSK) . Pentru viteze de 2 Mb/s se foloseste modulatie diferentiala in cuadratura cu comutarea fazei (DQPSK). Imprastierea este realizata prin impartirea benzii disponibile in 11 subcanale, fiecare cu latimea benzii de 11 MHz.

Transmisiunea in infrarosu (IR - Infrared), o alta specificare a standardului, necesita vizibilitatea directa intre transmitator si receptor, prin urmare distantele de transmisiune sunt mici, corespunzatoare unei camere (semnalele IR nu pot trece prin ziduri). Se foloseste modulatia impulsurilor in pozitie (PPM - Pulse Position Modulation). Aceasta metoda de transmisiune n-a prezentat interes pentru fabricantii de produse WLAN.

Standardul IEEE 802.11b utilizeaza metoda de modulatie CCK (Complementary Code Keying - Comutare cu coduri complementare), în care codurile de împrastiere a spectrului sunt coduri complementare, pentru debitele de 5,5 si 11 Mb/s si DSSS pentru debitele de 1 si 2 Mb/s.

Standardul IEEE 802.11a prevede utilizarea metodei OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), modularea purtatorilor fiind, în functie de debit, BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quaternary PSK), 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) si 64-QAM.

Limitari

Rețelele Wi-Fi oferă rate de transfer mari pe distanțe mici, fiind una dintre cele mai rapide rețele fără fir, dar și cea care oferă cea mai mică mobilitate—Bluetooth este și ea o tehnologie fără fir gândită pentru acces pe distanțe și mai mici, de ordinul a câțiva metri, dar care oferă aceleași rate de transfer, avantajul ei constând într-o mai mare economie de energie. Pentru mărirea ariei de acoperire, IEEE a standardizat tehnologia WiMAX, pentru rețele metropolitane fără fir (IEEE 802.16). Întrucât echipamentele pentru WiMAX sunt însă costisitoare, Intel a dezvoltat o tehnologie de conexiune fără fir bazată pe standardele 802.11 cu dirijarea undelor, și care poate asigura legătura între două puncte aflate la distanțe de ordinul sutelor de kilometri, costul echipamentelor

20

fiind cu două ordine de mărime mai mici decât cele ale punctelor de acces 802.16 (WiMAX).

Rata de transfer

Grafic al ariilor de acoperire ale diferitelor tehnologii fără fir. Wi-Fi oferă rate de transfer mari pe distanţe mici (reţele locale). Reţelele WiMAX sunt o tehnologie pentru reţele metropolitane. GSM/GPRS sunt rețele cu arie mare de acoperire, dar care oferă rate de transfer de câțiva kilobiți pe secundă.

Ratele de transfer ale standardului 802.11 au fost, la început (anii 1997-1999), de ordinul megabiților pe secundă, într-o perioadă în care rețelele Ethernet, cablate, ofereau rate de ordinul zecilor și sutelor de megabiți pe secundă. În anul 2009, sunt disponibile pe scară largă echipamente Ethernet Gigabit, apărând chiar și echipamente ce transferă date prin cablu la 10 Gbps, în timp ce rețelele 802.11g ating rate de transfer de 56 Mbps, iar noul standard 802.11n își propune să atingă 270 Mbps. Din punctul de vedere al ratei de transfer, din cauza caracteristicilor adesea imprevizibile ale mediului, cum ar fi zgomote electromagnetice provenite din diverse surse (alte dispozitive ce folosesc aceeași bandă, cum ar fi Bluetooth sau cuptoarele cu microunde) sau fenomene atmosferice (ceață, fenomene electrice și electrostatice), rețelele Wi-Fi rămân în urma celor cablate. Totuși, rețelele 802.11 sunt cele mai rapide rețele fără fir, singurele care se pot compara ca rată de transfer cu rețelele locale cablate.

Aria de acoperire

O limitare importantă a rețelelor Wi-Fi o constituie aria de acoperire. Ea depinde mult de capabilitățile antenelor dispozitivelor și de topografia particulară a zonei pe care urmărește rețeaua să o acopere. Plantele absorb radiațiile electromagnetice, și astfel instalarea unei rețele într-o zonă împădurită (cum ar fi un parc) limitează aria de acoperire a acesteia. Pereții de beton reflectă puternic undele radio, instalarea unei rețele într-

21

o clădire aducând astfel limitarea numărului de camere ce poate fi acoperit de o singură celulă. În interiorul clădirilor, un punct de acces cu o antenă de dimensiuni mici și un preț accesibil poate acoperi o rază de aproximativ 32 m, iar în exterior, același punct de acces poate ajunge la 95 m. Aria de acoperire poate fi și mai restrânsă în cazul folosirii benzii de 5 GHz în locul celei de 2,4 GHz (mai zgomotoasă, dar în care se poate acoperi o arie mai mare). Transmisiunea la cea mai mare distanță cu ajutorul unor dispozitive Wi-Fi a fost realizată, folosind antene puternice și semnale direcționate, de Ermanno Pietrosemoli de la Escuela Latinoamerica de Redes, care a transferat 3 MB de date între vârfurile El Aguila și Platillon din Venezuela, aflate la o distanță de 382 km.[23]

Canalele

Repartizarea canalelor în banda de 2,4 GHz

În Japonia, Wi-Fi folosește 14 canale ale benzii de 2,4 GHz, în Statele Unite 11 iar în Europa 13. În zonele unde acționează mai multe puncte de acces, acestea se pot interfera, deoarece benzile nu sunt complet separate. Doar trei canale (1, 6 și 11 în SUA, mai multe combinații în Europa și Japonia) pot fi complet separate, în condițiile în care toate punctele de acces dintr-o zonă folosesc doar IEEE 802.11g, fără posibilitatea de a recurge la 802.11b în caz de condiții dificile. În Uniunea Europeană, puterea radiată izotrop echivalentă maximă este de 100 mW (20 dBm).

Echipamente standard ce folosesc tehnologia Wi-Fi

Wireless acces point – conecteaza un grup de echipamente wireless la o retea cablata adiacenta.

Acces point-ul este similar cu hub-ul de retea, transmitand date intre echipamentele wireless conectate la el si echipamentele conectate prin cablu la retea, cel mai des fiind legat direct la un hub sau

22

switch, lasand astfel echipamentele wireless sa comunice cu alte echipamente conectate prin cablu.

Adaptoarele wireless permit conectarea echipamentelor la retelele wireless. Aceste adaptoare se conecteaza la echipamente prin diverse interfete de conectare : PCI, miniPCI, USB, ExpressCard, Cardbus si PC card. Cele mai noi laptopuri sunt echipate cu adaptoare wireless interne.

Routerele Wireless – integreaza WAP, switch ethernet si o aplicatie interna de routare care furnizeaza adresa IP routabile, NAT

(Network Address Translation) si transmiterea DNS (Domain Name System) printr-o interfata WAN integrata. Un router wireless permite echipamentelor de retea wireless cablate sa se conecteaze la un WAN (cable modem sau DSL modem). Acest echipament

are atat functii de acces point si routare cat si de switch-ing intre echipamentele conecate la el , toate astea fiind configurate printr-o interfata, de multe ori, grafica.

Wireless network bridges conecteaza o retea cablata cu o retea wireless. Este diferit de acces point, in sensul ca acces point-ul conecteaza echipamente wireless la o retea cablata la nivelul data-link. Doua wireless bridge-uri pot fi folosite pentru a conecta doua retele cablate printr-o conexiune wireless, folositoare in situatiile in

care utilizarea cablurilor nu este permisa .

Repetoarele wireless pot extinde aria de acoperire a retelelor wireless existente. Trebuie insa tinut seama ca fiecare punct de repetare a semnalului, pe langa amplificarea acestuia, introduce si un timp de intarziere.

23

AUTORI

Iliuta Virgil: Notiuni generale, Clasificarea antenelor, Tehnolofia WiFi, Echipamente WiFiBalint George: Standardele IEEE 802.11 (stiva de protocoale, tehnologia, implementari hardware), Limitari, Aria de acoperire

BIBLIOGRAFIE

24

Tannenbaum, Andrew (2004), Rețele de calculatoare, ediția a patra, Editura Byblos

www.wi-fi.org www.ieee.org www.standards. ieee .org/get ieee 802/ 802.11 .html Rughiniș, Răzvan; Deaconescu, Răzvan; Dobrescu, Mihai; Iconaru, Cristian

(2007), Administrarea rețelelor locale, București: Editura Printech Rughiniș, Răzvan; Deaconescu, Răzvan; Ciorba, Andrei; Doinea, Bogdan,

Re ț ele Locale , București: Editura Printech http://en.wikipedia.org/wiki/WiFi http://en.wikipedia.org/wiki/802.11 http://www.lamit.ro/retele-internet-radio-wireless-wifi.htm Alfabetul 802.11 - Jorg Luther IEEE 802 Tutorial

25