На данный момент не возможно указать точных дат разработок перспективных спецификаций, поэтому расположим их в алфавитном порядке. Исследовательские группы, работающие с 802.11, изучают возможность управления беспроводными сетями при дальнейшем увеличении их полосы пропускания и анализируют особенности их согласования с другими беспроводными технологиями.
Несмотря на применение сетей стандарта IEEE 802.11 в общественных местах, пока не ясно, насколько беспроводные локальные сети подходят для сетей поставщиков услуг. Рабочая группа IEEE 802.11 Working Group, выпустившая серию стандартов для Wi-Fi, готовит набор новых спецификаций.
Была сформирована группа Wireless Interworking, занявшаяся анализом взаимодействия 802.11 с другими беспроводными сетями — GSM, мобильными службами третьего поколения и сетями стандарта European HiperLAN 2. Эта группа также рассматривает проблемы унифицированной аутентификации в гетерогенных сетях.
Спецификация IEEE 802.11d. IEEE для расширения географии распространения сетей стандарта 802.11 разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот, дополнительные параметры для MIB и т. д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки.
Спецификация IEEE 802.11e. Спецификации 802.11е позволят создавать мультисервисные беспроводные сети для корпораций и индивидуальных потребителей. При сохранении полной совместимости с действующими стандартами 802.11а и b он расширит их функциональность за счет обслуживания потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS).
Пока утвержден предварительный вариант спецификаций 802.11е.
Спецификация IEEE 802.11f. Спецификация 802.11f описывает протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Дата утверждения этой спецификации в качестве стандарта пока не определена.
Спецификация IEEE 802.11h. Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения действующих спецификаций 802.11 MAC (уровень доступа к среде передачи) и 802.11a PHY (физический уровень в сетях 802.11a) алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля за излучаемой мощностью и генерации соответствующих отчетов.
Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на протоколах Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям (ETSI). Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами. Дата принятия спецификаций 802.11h в качестве стандарта пока не названа.
Спецификация IEEE 802.11i. Надежные инструментальные средства для беспроводных сетей будут реализованы в продуктах, которые появятся во второй половине года, после завершения работы над спецификацией IEEE 802.11i. Ее предварительная версия требует оборудования 802.11 для поддержки трех алгоритмов шифрования трафика беспроводных локальных сетей: TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), WRAP (Wireless Robust Authenticated Protocol) и CCMP (Counter with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol). Кроме того, ей требуется возможность использования стандарта IEEE 802.1x для управления доступом к сети.
TKIP и WRAP могут быть добавлены к устройствам 802.11 простым обновлением программ. Предварительная версия механизма TKIP под названием SSN (Safe Secure Networks) уже принята отраслевой группой Wi-Fi, поскольку насущно необходима более надежная защита.
Эти три алгоритма, названные в последней версии 802.11i, предоставят домашним пользователям хорошие средства защиты, хотя производители оборудования, ориентированные на предприятия, вероятно, будут по-прежнему реализовывать дополнительные функции.
До мая 2001 г. стандартизация средств информационной безопасности для беспроводных сетей 802.11 относилась к ведению рабочей группы IEEE 802.11e, но затем эта проблематика была выделена в самостоятельное подразделение. Разрабатываемый стандарт 802.1X призван расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций.
В основе 802.1X лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон — вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами.
Дальнейшим развитием идеи беспроводной передачи аудио и видео является подход группы разработчиков, уже начавших работу над созданием стандарта, аналогичного 1394 и ориентированного на пересылку видео, используя стандарт беспроводной связи 802.15.3. В рабочую группу вошли представители компаний Sony, Philips и Pioneer, а также нескольких не столь известных производителей чипов. Если спецификации одобрят, то в дальнейшем возможно использование портов 1394 с адаптерами беспроводных сетей без каких-либо модификаций. Не исключают также, что совместимость с 1394 учтут и в спецификациях будущего широкополосного стандарта 802.15.3a, который, как предполагается, обеспечит пропускную способность до 200 и 400 Мбит/с на расстояниях до 10 м.
Что касается проблемы дальнодействия WLAN, то в была принята спецификация нового стандарта беспроводных городских сетей (WirelessMAN) — IEEE 802.16, которая описывает спецификацию интерфейса модуляции с одной несущей (Single Carrier), работающего на частотах от 10 до 66 ГГц.
На вопрос о том, считать ли 802.11 и 802.16 дополняющими друг друга стандартами или конкурентами в определенных частотных диапазонах, до сих пор не дано внятного ответа. Ясно одно — эти стандарты предназначены для различных нужд: 802.16 предназначен для построения сетей масштаба MAN (Metropolitan Area Networks), а 802.11 — для беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks). Но уже сейчас среди производителей оборудования возникли разногласия: одни предлагают расширить диапазон применения 802.11 на сети масштаба предприятий, другие — донести 802.16 еще и до конечного пользователя.
В дополнение к спецификациям IEEE 802.16 был введен стандарт IEEE 802.16a. Он учитывает тонкости распределения спектра в рассматриваемом диапазоне, а также определяет три режима «физического уровня» соединений. Предусмотрен режим с одной несущей для специальных нужд, но при этом добавлено OFDM-мультиплексирование с ортогональным разделением частоты на 256 каналов, которое разбивает радиоканал на множество каналов, что позволяет увеличить скорость обмена за счет параллельной передачи данных. Дополнительно появляется возможность отстроиться от помех, возникающих в результате многолучевого распространения сигнала. Ортогональное размещение поднесущих обеспечивает передачу результирующего сигнала в более узком спектре по сравнению с другими методами мультиплексирования. Еще одно дополнение — мультиплексирование OFDMA на 2048 каналов, предоставляющее возможности улучшенного мультиплексирования в сетях с несколькими уровнями.
Широкий диапазон частот, предусматриваемый стандартом, позволяет развертывать каналы передачи данных с высокой пропускной способностью (до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции) с использованием передатчиков, устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и высотных зданиях. Существенный недостаток в том, что принимающее и передающее оборудование, работающее по этому стандарту, может находиться только в зоне прямой видимости.
Следующий вариант стандарта 802.16, разрабатываемый 802.16 Task Group C, будет действовать в более высоком диапазоне частот. Частично в него войдут технологии, отработанные для LMDS и радиосвязи (50–60 ГГц). Однако наибольший интерес представляет 802.16e, в котором будет реализована мобильность беспроводных сетей. Как сообщают специалисты IEEE, вряд ли 802.16e станет стандартом, конкурентным сетям сотовой связи, тем более что такой цели и не преследуется — для мобильных пользователей, предпочитающих высокую скорость передачи и приема данных, разработаны услуги 3G. Стандарт 802.16e будет рассчитан на медленно передвигающихся пользователей, которым хотелось бы оставаться на связи в пределах зоны действия офисного узла MAN.
Стандарты 802.16 предоставят широкие возможности для масштабирования, необходимого для обеспечения поддержки сотен тысяч пользователей силами одной базовой станции. Один сектор одной базовой станции способен обеспечить скорость передачи данных, достаточную для одновременного обслуживания свыше 60 предприятий, подключенных по каналам типа T1, и сотни жилых домов, подключенных по каналам типа DSL. Для конечного пользователя это означает менее дорогой, а значит, и более конкурентоспособный широкополосный доступ в Интернет.
Методы DSSS и FHSS в IEEE 802.11
Как уже было выше сказано, сигналы в стандартах IEEE 802.11 могут передаваться по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS), скачкообразной перестройкой частоты (FHSS), а также по каналам с инфракрасным излучением.
Обе технологии расширения спектра DSSS и FHSS основаны на применении двухэтапной модуляции несущей.
По методу DSSS каждый бит исходного сообщения представляется специальными 11-разрядными кодовыми комбинациями (путем выполнения логической операции "исключающее ИЛИ") и уже результирующая последовательность модулирует передаваемый в эфир радиосигнал (при этом используется фазовая модуляция несущей PSK: при каждом изменении логического уровня из 0 в 1 или из 1 в 0 происходит смещение фазы снусоидального колебания). Псевдослучайные кодовые комбинации, придают радиосигналу характер шума, в 11 раз увеличивая спектр частот исходного узкополосного сигнала и распределяя его мощность по всему диапазону. Для выделения полезной информации приемная сторона использует ту же кодовую последовательность. Поддержание синхронности фазы несущего колебания в приемнике и передатчике осуществляется последним посредством формирования через определенные промежутки времени специального синхросигнала.
Согласно методу FHSS модулирование несущего радиосигнала выполняется непосредственно исходным сообщением с использованием частотной модуляции, при которой передача логических уровней 0 и 1 осуществляется на частотах, расположенных несколько выше или ниже центральной. Расширение спектра производится периодическим, в соответствии с заданной последовательностью, используемой и передатчиком и приемником, изменением значения самой центральной частоты (стандартом IEEE 802.11 предусмотрены 79 возможных значений несущего колебания), причем длительность удержания частоты на каждом уровне (dwell time) составляет 20 мс. Строго говоря, сигнал FHSS можно считать широкополосным только на достаточно большом интервале времени, включающем много периодов удержания, поскольку на каждом из последних диапазон частот передаваемого радиосигнала определяется спектром исходного сообщения, т.е. фактически является узкополосным.
Помехоустойчивость
Узкополосные помехи
В системах DSSS энергия полезного сигнала распределена по всему диапазону радиоволн (для обеспечения максимальной скорости передачи данных 11 Мбит/с, предусмотренной стандартом IEEE 802.11, требуется полоса частот примерно 22 МГц), поэтому во входных цепях приемных устройств используются широкополосные фильтры. Наличие узкополосных помех небольшой интенсивности на любой из частот диапазона не приводит к сбоям (информация восстанавливается в приемнике из "неповрежденных" участков спектра), однако если по энергии помеха сопоставима с полезным сигналом, то работа системы может быть полностью заблокирована. В системах FHSS вероятность появления помех повышается за счет более широкого диапазона используемых частот (83,5 МГц), однако если паразитный сигнал занимает узкий участок спектра, то его воздействие скажется только на отдельных скачках с близким значением несущей. Результатом будет лишь некоторое снижение производительности системы (из-за необходимости повторения испорченного фрагмента сообщения на следующем скачке).
Широкополосные помехи
Активность нескольких радиосистем, расположенных по-соседству, может приводить к повышению общего уровня зашумленности эфира на достаточно протяженных участках спектра. И хотя, в принципе, применяемая в системах DSSS фазовая модуляция радиосигнала позволяет работать при более высоком отношении сигнал/шум, чем частотная модуляция несущей, используемая в устройствах FHSS, вероятность появления помехи, охватывающей полосу в 20 МГц значительно выше, чем весь 80-МГц диапазон. Поэтому на практике системы FHSS оказываются более устойчивыми к широкополосным помехам и могут продолжать работать (хотя и с пониженной пропускной способностью) в условиях, когда системы DSSS уже не способны нормально воспринимать полезный сигнал.
Интерференционные помехи
Интерференционные помехи, возникающие из-за многократного отражения радиоволн от окружающих предметов, проявляются в одновременном поступлении в приемник множества "копий" полезного сигнала со смещеными фазами, что может приводить к его ослаблению или даже полному исчезновению на отдельных участках спектра (так называемый "фединг"). При одних и тех же внешних условиях системы DSSS оказываются более устойчивыми к федингу, чем FHSS (как и в случае узкополосных помех, полезный сигнал оказывается искаженным только на отдельных частотах), однако они гораздо чувствительнее к смещению во времени продетектированного двоичного сигнала - из-за значительно более короткой (примерно в десять раз) длительности импульсов возрастает вероятность неправильной интерпретации уровней 0 или 1 при стробировании.
Пропускная способность
Для систем DSSS и FHSS, основанных на спецификациях базового стандарта IEEE 802.11, определена скорость передачи данных 1 и 2 Мбит/с. Поскольку здесь имеются ввиду все биты сообщения, а полезная информация составляет лишь часть кадра, включающего также служебные разряды (например, контрольные), то реальная пропускная способность системы оказывается меньше. Дополнительные "накладные расходы" вносят и сами протоколы передачи данных (процедуры обмена служебными кадрами при "опознавании" рабочих станций, для целей синхронизации, повторной передачи информационных кадров при обнаружении ошибок и т.д.)
В среднем системы DSSS, работающие на скорости 2 Мбит/с, имеют пропускную способность 1,4 Мбит/с. Для систем FHSS этот показатель несколько ниже из-за дополнительных потерь на синхронизацию передатчика и приемника после каждого переключения на новую частоту.
Увеличение общей пропускной способности можно получить за счет развертывания в одной зоне нескольких систем. В случае DSSS это можно было бы сделать на основе технологии кодового разделения каналов CDMA, т.е. применяя в них различные, некоррелированные между собой (так называемые ортогональные) кодовые последовательности. Свойство ортогональности позволяет приемным устройствам надежно выделять предназначенную им информацию, восприннимая радиосигналы от других систем как шум. Однако практическому использованию метода CDMA препятствует быстрый рост длины ортогональных последовательностей с увеличением их числа. Так, например, для развертывания 6 независимых систем DSSS потребовалось бы использовать 31-разрядные последовательности (представляющие каждый бит информационного сообщения) и необходимая полоса частот для обеспечения максимальной скорости передачи данных в 11 Мбит/с превысила бы весь отведенный для таких систем диапазон.
Стандартом 802.11 предусмотрена возможность совместной работы систем DSSS, использующих одну и ту же 11-разрядную кодовую последовательность, выделением каждой из них отдельного поддиапазона частот шириной около 30МГц. Поскольку весь диапазон составляет 83,5 МГц, то таких систем может быть не более 3. Соответственно, их суммарная пропускная способность составляет около 4,2 Мбит/с.
В случае FHSS количество развертываемых систем значительно больше. Стандарт 802.11 определяет 78 различных последовательностей переключения между 79 значениями несущей частоты (3 группы по 26 последовательностей, в каждой из которых обеспечивается минимальное число коллизий, т.е. одновременного использования одной и той же частоты несколькими системами).
Таким образом, теоретически на одной и той же территории может быть создано до 26 систем FHSS, однако на практике их число значительно меньше и обычно не превышает 15. Это вызвано тем, что стандарт 802.11 запрещает строгую синхронизацию передатчиков (системы должны быть независимыми), что повышает вероятность коллизий и, соответственно, увеличение затрат времени на повторную передачу кадров.