Aktuální vydání

celé číslo

01

2021

Řídicí systémy pro strojní výrobu a montáž, průmyslová robotika

Programovatelné automaty (PLC, PAC), operátorské panely, jednotky edge

celé číslo

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi III: standard IEEE 802.11 (část 1)

číslo 10/2003

Bezdrátové komunikace v automatizační praxi III: standard IEEE 802.11 (část 1)

1. Úvod do bezdrátových sítí WLAN IEEE 802.11

V oblasti bezdrátových lokálních sítí existuje mnoho standardů. Jedním z nejrozšířenějších je IEEE 802.11. Ovšem i v rámci IEEE 802.11 existují různá řešení, která se liší oblastí použití, cenovou dostupností, datovou propustností a dosahem.

Tab. 1. Přehled standardů IEEE 802.11

Standard Definice
IEEE 802.11a Standard definuje fyzickou vrstvu, která pracuje v pásmu 5 GHz, používá metodu modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a podporuje přenosové rychlosti od 6 do 54 Mb/s.
IEEE 802.11b Standard definuje fyzickou vrstvu, která v pásmu 2,4 GHz pracuje s metodami modulace FHSS a DSSS. Podporuje přenosové rychlosti 1 Mb/s, 2 Mb/s, 5,5 Mb/s a 11 Mb/s.
IEEE 802.11c Standard definuje vlastnosti a funkce nutné pro správnou funkci bezdrátových mostů (bridge). Tento standard využívají přístupové body (access points).
IEEE 802.11d Standard se zabývá globální harmonizací WLAN podle IEEE 802.11, neboť pravidla pro využívání jednotlivých frekvenčních pásem se stát od státu různí.
IEEE 802.11e Připravovaný standard upravuje přístupovou vrstvu (MAC) tak, aby bylo možné vnést do WLAN prvky QoS (Quality of Services), což zlepší možnosti přenosu zvuku a obrazu. První výrobky podporující tento standard by se na trh měly dostat koncem roku 2003.
IEEE 802.11f Připravovaný standard umožní uživatelům přecházet mezi jednotlivými přístupovými uzly (roaming), podobně jako to umožňuje síť pro mobilní telefony. Původní standard IEEE 802.11 nezajišťuje bezproblémový přechod od jednoho přístupového uzlu k jinému bez ztráty spojení.
IEEE 802.11g Standard zavádí do pásma 2,4 GHz modulační metodu OFDM, která svými parametry překonává FHSS i DSSS a umožňuje dosáhnout přenosové rychlosti až 54 Mb/s. Standard 802.11g umožňuje připojit zařízení pracující podle IEEE 802.11b, avšak výskyt těchto zařízení v síti značně snižuje její propustnost, neboť tato zařízení je nutné ovládat signály RTS a CTS, aby v síti nedocházelo ke kolizím mezi zařízeními používajícími FHSS nebo DSSS a zařízeními používajícími OFDM. Zařízení podporující IEEE 802.11g se již dostávají na trh.
IEEE 802.11h Připravovaný standard má za cíl vyhovět evropským požadavkům tak, aby bylo možné v Evropě používat WLAN i v pásmu 5 GHz. Pásmo 5 GHz je v Evropě využíváno pro spojení se satelity a pro sítě HIPERLAN. Připravovaný standard by měl zabránit možným interferencím dynamickou volbou kanálu a řízením vysílacího výkonu.
IEEE 802.11i Připravovaný standard si klade za cíl definovat rozšíření vrstvy MAC o důkladné zabezpečení. Původní IEEE 802.11 definuje pouze relativně slabé šifrování založené na statických klíčích (Wired Equivalent Privacy, WEP). IEEE 802.11i by měl výrazně zvýšit bezpečnost dat přenášených prostřednictvím WLAN.

2. Historie standardu IEEE 802.11

V červnu roku 1997 zveřejnila IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) první standard pro bezdrátové sítě (Wireless LAN, WLAN) pod označením IEEE 802.11. Tento standard specifikoval bezdrátovou síť pracující ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz s rozprostřeným spektrem a podporoval přenosové rychlosti 1 a 2 Mb/s. Při použití sítě podle tohoto standardu bylo možné zvolit, zda se má používat metoda modulace s přeskoky kmitočtu (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum), nebo metoda přímé sekvence (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum).

Současné bezdrátové lokální sítě jsou postaveny na principech, které z původního standardu vycházejí, avšak v mnohém jej rozšiřují nebo upravují. V současné době (červen 2003) jsou to WLAN založené na verzích standardu IEEE 802.11a, 802.11b a 802.11g. V Evropě je rozšířena síť podle IEEE 802.11b, zatímco v USA a některých mimoevropských zemích jsou v provozu i sítě IEEE 802.11a.

Tab. 2. Přehled parametrů standardů IEEE 802.11

Standard Frekvenční pásmo a počet kanálů Modulace a kódování Přenosová rychlost (Mb/s) Evropa
802.11a 5 až 6 GHz, teoreticky 201 kanálů, v USA využíváno pouze dvanáct, z toho osm nepřekrývajících se OFDM (BPSK) 6 ne
9
OFDM (QPSK) 12
18
OFDM (16-QAM) 24
36
OFDM (64-QAM) 48
54
802.11b 2,4 až 2,497 GHz, čtrnáct kanálů, tři nepřekrývající se FHSS 1 ano
2
DSSS-CCK, PBCC 5,5
11
802.11g 2,4 až 2,497 GHz, čtrnáct kanálů, tři nepřekrývající se FHSS 1 ano
2
DSSS-CCK, PBCC 5,5
OFDM, CCK-OFDM 6
9
DSSS-CCK, PBCC 11
OFDM, CCK-OFDM 12
18
PBCC 22
OFDM, CCK-OFDM 24
PBCC 33
OFDM, CCK-OFDM 36
48
54

Abychom vnesli jasno do jednotlivých standardů, uvádíme v tab. 1 stručný přehled platných a připravovaných standardů podle IEEE 802.11.

3. Standard IEEE 802.11b

Standard IEEE 802.11b definuje celkem čtrnáct kanálů v pásmu 2 400 až 2 497 MHz. Ve většině zemí Evropy (včetně ČR) může být WLAN provozována v pásmu 2 400 až 2 483,5 MHz. Toto pásmo je pro potřeby IEEE 802.11b rozděleno na třináct kanálů. (Téměř v celé Evropě lze využívat všech třináct kanálů, pouze telekomunikační úřady Francie a Španělska umožňují využít jen některé kanály.) Provoz zařízení podle IEEE 802.11b v ČR je upraven generální licencí Českého telekomunikačního úřadu číslo GL-12/R/2000 k provozování pozemních vysílacích rádiových zařízení pro širokopásmový přenos dat na principu rozprostřeného spektra. Sítě podle IEEE 802.11b jsou u nás nejrozšířenější, a proto jim bude věnována druhá část článku v příštím čísle.

Tab. 3. Seznam použitých zkratek
Zkratka Plné znění
BPSK Biphase Shift Keying
CCK Complimentary Code Keying
CTS Clear to Send
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
LAN Local Area Networks
MAC Medium Access Control
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PBCC Packet Binary Convolutional Code
PCF Point Co-ordination Function
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Quality of Services
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
RTS Ready to Send
WEP Wired Equivalent Privacy
Wi-Fi Wireless Fidelity
WLAN Wireless Local Area Network

4. Standardy IEEE 802.11a, IEEE 802.11g

Standard IEEE 802.11a je používán v některých mimoevropských zemích, např. v USA. Oproti IEEE 802.11b umožňuje dosáhnout větších přenosových rychlostí, zejména díky pokročilejším způsobům modulace.

Nejmladší standard, IEEE 802.11g, slučuje nejlepší vlastnosti ze standardů IEEE 802.11a a IEEE 802.11b. Zachovává kompatibilitu se standardem IEEE 802.11b a ze standardu IEEE 802.11a přebírá pokročilejší modulační a kódovací techniky.

Při tvorbě standardu 802.11g se dvě významné firmy vyrábějící čipové sady pro WLAN (Intersil a Texas Instruments), které se snažily prosadit do standardu vlastní modulační a kódovací postupy, dohodly na kompromisu. Došlo tak k tomu, že některé parametry (přenosová rychlost, modulační metoda) jsou pro zařízení povinné a jiné volitelné. Bylo stanoveno, že zařízení musí podporovat zpětnou kompatibilitu s IEEE 802.11b a rovněž musí podporovat modulační metodu OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Metodu kódování PBCC (Packet Binary Convolutional Code) jako volitelnou prosadila skupina výrobců kolem firmy Texas Instruments, zatímco skupina výrobců blízká firmě Intersil prosadila jako volitelnou metodu kódování CCK-OFDM (Complementary Code Keying – Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Výsledkem tedy je, že i při nákupu zařízení pro WLAN IEEE 802.11g bude výhodné pořizovat zařízení vybavená čipovými sadami od jednoho výrobce. Povinně implementované režimy sice zajistí komunikaci mezi zařízeními osazenými čipovými sadami různých výrobců, avšak volitelné režimy nabízejí oproti povinným režimům nejen vyšší přenosové rychlosti, ale i lepší odolnost proti chybám, a tedy větší reálně dosažitelnou propustnost dat.

V tab. 2 jsou shrnuty modulační techniky a přenosové rychlosti podporované jednotlivými verzemi standardu IEEE 802.11. V tabulce jsou pro každou verzi standardu tučně vyznačeny režimy, které musí být podporovány všemi zařízeními. Podpora ostatních režimů závisí na použité čipové sadě a firmwaru zařízení.

Tab. 4. Internetové odkazy (zhlédnuto 6/2003)

http://www.wlana.org Wireless LAN Association
http://www.80211-planet.com internetový časopis; Jupitermedia Corporation
http://www.ctu.cz Český telekomunikační úřad
http://www.ieee.org Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
http://www.edimax.com.tw Edimax Technology, Inc., výrobce techniky pro bezdrátovou komunikaci a sítě
http://www.sss-mag.com internetový časopis Spread Spectrum Scene Online
http://www.wirelessimaging.info/
Glossary%20Only%20v2002.pdf
technický slovník pojmů z oboru bezdrátových přenosů dat; Future Image Inc.

5. Sítě Wi-Fi

Ve spojení s bezdrátovými sítěmi IEEE 802.11 je užíván termín sítě Wi-Fi. Pojmem Wi-Fi (Wireless Fidelity) byla dříve označována zařízení, která pracovala podle IEEE 802.11b, ale v současnosti jsou logem „Wi-Fi Certified„ označována i zařízení podle IEEE 802.11a a IEEE 802.11g, která splňují požadavky interoperability mezi zařízeními různých výrobců.

(dokončení v příštím čísle)

Ing. Zdenek Bradáč, Ing. Petr Fiedler,
Vysoké učení technické v Brně, UAMT FEKT,
a Ing. Milan Kačmář,
T-Mobile Czech Republic, a. s.
Lektoroval: Ing. Josef Čapek, Ph.D.,
FEL ČVUT Praha

Inzerce zpět