Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΠΑΔΑΚΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Αριθμός Μητρώου: 6052 Θέμα «Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για βέλτιστη σχεδίαση συστημάτων τεχνολογίας Wi-Fi» Επιβλέπων Κωτσόπουλος Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2013

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για βέλτιστη σχεδίαση συστημάτων τεχνολογίας Wi-Fi Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΠΑΔΑΚΟΥ ΧΡΗΣΤΟΥ του ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Αριθμός Μητρώου: 6052 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 21/10/2013 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σ.Κωτσόπουλος Καθηγητής Ν. Φακωτάκης Καθηγητής

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για βέλτιστη σχεδίαση συστημάτων τεχνολογίας Wi-Fi» Φοιτητής: ΠΑΠΑΔΑΚΟΣ ΧΡΗΣΤΟΣ Επιβλέπων: ΚΩΤΣΟΠΟΥΛΟΣ ΣΤΑΥΡΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εποχή που ζούμε, η καθημερινότητα των πολιτών, από όλες σχεδόν τις πλευρές της, από την επαγγελματική και προσωπική της διάσταση έως τον τρόπο που επιλέγει πλέον κάποιος να διασκεδάζει και να κοινωνικοποιείται, είναι σε πολύ μεγάλο βαθμό εξαρτημένη από το νευραλγικό τομέα των επικοινωνιών. Διαπιστώνει κανείς πολύ εύκολα την ήδη εδώ και δεκαετίες, τεράστια διείσδυση των επικοινωνιών σε όλους τους παραγωγικούς τομείς της κοινωνίας, στους ίδιους τους μηχανισμούς της διακυβέρνησης και της ενημέρωσης. Το τεράστιο άλμα ωστόσο, πραγματοποιείται τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη των ασύρματων επικοινωνιών και διάφορων τεχνολογιών που προκύπτουν μέσα από επίπονη και

6 πολύχρονη έρευνα. Κινητή τηλεφωνία, ασύρματα δίκτυα, πρόσβαση σε γρήγορο internet οπουδήποτε και οποτεδήποτε, είναι τεχνολογίες που έχουν αλλάξει δραματικά και ανεπιφύλακτα προς το καλύτερο, τις ζωές όλων μας. Στη παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Διερεύνηση τεχνικών παραμέτρων για βέλτιστη σχεδίαση συστημάτων τεχνολογίας Wi-Fi:», αφού πρώτα μελετήσουμε πλήρως το πρότυπο ή κοινώς WiFi, όσο αφορά την αρχιτεκτονική του, τη δομή του και τις διάφορες εκδόσεις του, προχωράμε σε μια μελέτη γύρω από τα θεωρητικά μοντέλα διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε εσωτερικούς χώρους με σκοπό να εξετάσουμε στη συνέχεια ένα τέτοιο πολύπλοκο περιβάλλον και τον τρόπο που συμπεριφέρεται το πρότυπο για μια συγκεκριμένη συχνότητα. Μέσω της μοντελοποίησης και της προσομοίωσης εκτιμάμε και αξιολογούμε τους παράγοντες που επηρεάζουν τη διάδοση αλλά και τυχόν καινούρια στοιχεία που μπορεί να προκύψουν. Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγεται ο αναγνώστης στις ασύρματες επικοινωνίες με μια σύντομη ιστορική αναδρομή και την παρουσίαση των βασικών ασύρματων συστημάτων σήμερα. Στο κεφάλαιο δύο παρουσιάζεται πλήρως το πρότυπο Αναπτύσσεται η αρχιτεκτονική του, η δομή του, το φυσικό του επίπεδο με τις τεχνικές μετάδοσης των διάφορων επικρατέστερων εκδόσεων του αλλά και οι λειτουργίες του επίπεδου MAC με τις παραμέτρους του. Προχωρώντας στο τρίτο κεφάλαιο, μελετάμε τους μηχανισμούς διάδοσης και τα φαινόμενα εξασθένισης του σήματος, κυρίως όμως γίνεται εκτενής αναφορά στα μοντέλα που περιγράφουν την ηλεκτρομαγνητική διάδοση σε περιβάλλον εσωτερικού χώρου, κάθως με βάση τα μοντέλα αυτά, γίνεται η τελική αξιόγηση του πειραματικού μέρους της εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πειραματικές μας μετρήσεις, η τοπολογία και η διαδικασία με την οποία λήφθησαν. Πραγματοποιείται σύγκριση αυτών με τις προβλέψεις βασικών θεωρητικών μοντέλων, και μέσω προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκε στο Matlab, εκτιμάται η απόκλιση των πειραματικών τιμών από τις θεωρητικές προβλέψεις. Στο τελευταίο κεφάλαιο παραθέτουμε τα γενικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την πειραματική διαδικασία, αξιολογούμε τους παράγοντες που συνετέλεσαν στη λήψη των αποτελεσμάτων μας και αποφαινόμαστε για το καταλληλότερο μοντέλο στο περιβάλλον που εργαστήκαμε.

7 ABSTRACT Nowadays, the citizen s daily life from both the professional and personal point of view to the way somebody chooses to be socialized and get amused, is extremely dependent on the neuralgic field of communications. It becomes evident easily to anybody, the already for decades great penetration of communications to all the production sectors into society and the mechanisms of governess and mass media. However, the tremendous evolution is realized the very last years via the development of wireless communications and the corresponding technologies that arise through arduous and extensive research. Mobile telephony, wireless networks, fast internet access anywhere and anytime, are technologies that has changed drastically and unreservedly our lives to the better. In this thesis, entitled Investigation of Technical Parameters for Optimal design of WiFi Technology Systems, after fully studying the protocol, commonly referred as WiFi, regarding to its architecture, its structure, and its various versions, we proceed to a study of the theoretical indoor propagation models of electromagnetic radiation, in order to examine then such a complex environment and the behavior of the protocol for a specific frequency. Through modeling and simulation, we estimate and evaluate the factors that affect the propagation, but also any potential new information that may arise. The first chapter introduces to the reader the field of wireless communications and provides a historical overview of the basic wireless communication setups. In chapter two, protocol is fully presented. Its architecture, its structure and its physical layer with the employed transmission techniques by its various predominant versions and also the functions of the MAC layer and its parameters are described. Chapter three discusses the transmission methods and the signal attenuation effect, with emphasis on the models that describe the electromagnetic transmission in enclosed spaces, as these models are used for the evaluation of the experimental part of this thesis. Chapter four contains the experimental part of this thesis and presents the topology and the exact procedure of the measurement setup. The obtained measurements are compared to the predicted ones using existing theoretical models via simulations that performed in Matlab and the prediction error is then computed and discussed. In the last chapter, we present the general conclusions derived from the measurement procedure, we evaluate the factors that contributed to the derivation of our results and we determine the most appropriate model for the environment in which we worked.

8 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία, εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ασύρματης Επικοινωνίας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Θα ήθελα καταρχάς, να ευχαριστήσω το καθηγητή κ. Κωτσόπουλο Σταύρο, για τη δυνατότητα που μου έδωσε να πραγματοποιήσω την παρούσα διπλωματική εργασία, σε ένα αντικείμενο που μετέτρεψε ένα απλό ερέθισμα, σε πραγματικό ενδιαφέρον στο επιστημονικό αυτό αντικείμενο. Επίσης, τον Θεόφιλο Χρυσικό για τη πολύτιμη συνεργασία και καθοδήγηση. Φυσικά οι πιο βαθιές ευχαριστίες μου, απευθύνονται στους γονείς μου για την αδιάλειπτη στήριξη τους σε όλες τις δυσκολίες της ακαδημαϊκής μου πορείας και στον αδερφό μου, διπλωματούχο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό του τμήματος και υποψήφιο διδάκτορα, για τη βοήθεια του και την συνολικά βαθύτατα ουσαστική μας σχέση μέσα στα χρόνια. Στα πρόσωπα αυτά αφιερώνεται η εργασία. Τέλος ευχαριστώ του φίλους και συμφοιτητές μου, στους οποίους χρωστώ πολλά και την Νάνσυ Κ. που απέδειξε τη περίσσεια κατανόηση της κάθε στιγμή.

9

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες...1 Εισαγωγή Ιστορική αναδρομή Τα ασύρματα συστήματα σήμερα Κυψελοειδή τηλεφωνικά συστήματα Ασύρματα τηλέφωνα Ασύρματα δίκτυα Ασύρματες υπηρεσίες δεδομένων 9 Συμπεράσματα...15 Κεφάλαιο 2: Το Πρότυπο Εισαγωγή Η αρχιτεκτονική του προτύπου 802 της IEEE Η αρχιτεκτονική των πρωτοκόλλων Η μορφή του πλαισίου MAC Η αρχιτεκτονική του Τύποι δικτύων Ανεξάρτητα Δίκτυα (Intependent Networks).22

11 2.3.2 Δίκτυα Υποδομής (Infrastructure Networks) Επεκταμένες περιοχές υπηρεσιών (ESS) Λειτουργίες του δικτύου Υπηρεσίες δικτύου Υπηρεσίες σταθμών Υπηρεσίες συστήματος διανομής Εμπιστευτικότητα και έλεγχος πρόσβασης Υπηρεσίες διαχείρισης φάσματος Υποστήριξη κινητικότητας Τα Επίπεδα του Το Φυσικό Επίπεδο-Τεχνικές μετάδοσης Έλεγχος Προσπέλασης Μέσου-MAC Αξιόπιστη διανομή δεδομένων MAC Δομή πλαισίων του Άλλες Εκδόσεις του Συμπεράσματα...48 Κεφάλαιο 3: Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων 49 Εισαγωγή Mηχανισμοί διάδοσης..49

12 3.2 Παράγοντες που επηρεάζουν τη διάδοση Aπώλειες διαδρομής Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας-σκίαση Διαλείψεις μικρής κλίμακας-φαινόμενο Πολλαπλής Διαδρομής Μοντέλα διάδοσης εσωτερικού χώρου Μοντέλο του ελευθέρου χώρου Μοντέλο One Slope Μοντέλο Log-Distance Μοντέλο της ITU-Εσωτερικών χώρων Μοντέλο Motley-Keenan Μοντέλο Multi Wall Floor 75 Συμπεράσματα...76 Κεφάλαιο 4: Διαδικασία Μετρήσεων-Προσομοίωση...77 Εισαγωγή Διαδικασία πειραματικών μετρήσεων και τοπολογία Επεξεργασία Μετρήσεων-Σύγκριση θεωρητικών προβλέψεων με προσομοίωση Αποτελέσματα με χρήση του μοντέλου Free Space Αποτελέσματα με χρήση του μοντέλου One Slope Αποτελέσματα με χρήση του μοντέλου της ITU Αποτελέσματα με χρήση του Multi Wall Floor.87 Κεφάλαιο 5: Γενικά Συμπεράσματα..89 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ.93 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...101

13 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 1.1 Το κυψελοειδές τηλεφωνικό σύστημα...4 Εικόνα 2.1 Το σύστημα DECT 6 Εικόνα 1.3 Σχεδιάγραμμα ενός τυπικού WLAN.7 Εικόνα 1.4 Σύνδεση στο Internet μέσω Hot spot σε σιδηροδρομικο σταθμό.8 Εικόνα 1.5 Το εμπορικό σήμα του Wi-Fi..10 Εικόνα 1.6 Παροκολούθηση της θέσης των λεωφορείων στο Σιάτλ, με χρήση τεχνολογίας Wi-Fi...11 Εικόνα 1.7 Τυπικό δίκτυο WiMAX.Το WiMAX παρέχει σύνδεση Internet «τελευταίου μιλίου» σε σπίτια και επιχειρήσεις..14 Εικόνα 1.8 Η εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών 15 Eικόνα 2.1 Τα επίπεδα του πρωτοκόλλου 802 της IEEE σε σύγκριση με το μοντέλο του OSI 17 Εικόνα 2.2 Η σχέση μεταξύ των επιπέδων του 802 της IEEE. 18 Εικόνα 2.3 Η γενική μορφή ενός πλαισίου MAC.19 Εικονα 2.4 Τα βασικά στοιχεια ενός LAN 21 Εικόνα 2.5 Δικτύωση ad hoc.22 Εικόνα 2.6 Infrastructure network.24 Εικονα 2.7 Επεκταμένο σύνολο υπηρεσιών (Extended Service Set) 24 Εικόνα 2.8 Μετάβαση BSS...32 Εικόνα 2.9 Μετάβαση ESS 33 Εικόνα 2.10 Η στοίβα πρωτοκόλλων του Εικόνα 2.11 Αποστολή ενός πλαισίου με CSMA/CA.39 Εικόνα 2.12 (α) Το πρόβλημα του κρυφού σταθμού, (β) Το πρόβλημα του εκτεθειμένου σταθμού.40 Εικόνα 2.13 Ανίχνευση εικονικού καναλιού με χρήση CSMA/CA 41 Εικόνα 2.14 Μια ριπή θραυσμάτων.42 Εικόνα 2.15 Διαστήματα μεταξύ πλαισίων στο Εικόνα 2.16 Το πλαίσιο δεδομένων του Εικόνα 3.1 Ανάκλαση και διάθλαση ενός κύματος που προσπίπτει σε λεία επιφάνεια μεταξύ δύο μέσων με διαφορετικά χαρακτηριστικά.50 Εικόνα 3.2 Ανάκλαση RF σήματος...50 Εικόνα 3.3 Περίθλαση RF σήματος..51 Εικόνα 3.4 Σκέδαση οφειλόμενη σε σχετικά μικρά αντικείμενα (σημειακοί σκεδαστές), τραχείες επιφάνειες και όγκους που περιέχουν διάφορα αντικείμενα.52

14 Εικόνα 3.5 Διάγραμμα απεικόνισης των τριών ειδών διαλείψεων 53 Εικόνα 3.6 Το μοντέλο two ray ground reflection.54 Εικόνα 3.7 Διαλείψεις Μεγάλης και Μικρής Κλιμακας σε σχέση με την απόσταση.. 55 Εικόνα 3.8 Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας στο χρόνο Εικόνα 3.9 Πολλαπλές διαδρομές: α) Εξ αιτίας ιονοσφαιρικών σκεδάσεων, β) Σε εσωτερικούς χώρους και γ) Σε εξωτερικούς χώρους 58 Εικόνα 3.10 Απώλειες στο μοντέλο ελευθέρου χώρου συναρτήσει της απόστασης για διαφορετικές συχνότητες..64 Εικόνα 3.11 Απόκριση του Motley-Keenan μοντέλου 72 Εικόνα 3.12 Το τροποποιημένο Motley-Keenan μοντέλο...74 Εικόνα 4.1 Το πεδιόμετρο Narda SRM Εικόνα 4.2 Κάτοψη τοπολογίας μετρήσεων..78 Εικόνα 4.3 Το Μοντέλο Free Space έναντι των Πειραματικών Μετρήσεων 82 Εικόνα 4.4 Το Μοντέλο One Slope έναντι των Πειραματικών Μετρήσεων.84 Εικόνα 4.5 Το Μοντέλο της ITU έναντι των Πειραματικών Μετρήσεων...86 Εικόνα 4.6 Το Μοντέλο MWF έναντι των Πειραματικών Μετρήσεων...88 Εικόνα 5.1 Σύργκριση ημιεμπειρικών μοντέλων Free Space-ITU...90 Εικόνα 5.2 Σύργκριση εμπειρικών μοντέλων One Slope και MWF.91 Εικόνα 5.3 Συγκεντρωτική γραφικη απεικόνιση των μοντέλων...91

15 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1.1 Τα χαρακτηριστικά των διαφόρων εκδόσεων του προτύπου Πινακας 1.2 Οι γενιές της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας...12 Πίνακας 2.1 Υπηρεσίες δικτύου.28 Πινακας 2.2 Οι βασικές εκδόσεις του Πίνακας 3.1 Τα δημοφιλέστερα μοντέλα διάδοσης σε εσωτερικούς χώρους 61 Πίνακας 3.2 Τυπικές τιμές για τον εκθέτη n στο μοντέλο One Slope...66 Πίνακας 3.3 Τυπικές τιμές της παραμέτρου Ν και της απόκλισης σ (db) για το μοντέλο λογαριθμικής απόστασης...67 Πίνακας 3.4 Συντελεστής απωλειών Ν για το μοντέλο της ITU σε εσωτερικό χώρο 69 Πίνακας 3.5 Συντελεστής απωλειών λόγω πατωμάτων για το μοντέλο της ITU σε εσωτερικό χώρο..69 Πίνακας 3.6 Απορροφήσεις σε διαφορετικού πάχους υλικά στο μοντέλο Motley-Keenan...73 Πίνακας 3.7 Παράδειγμα απωλειών για τοίχους διαφορετικού πάχους στο μοντέλο Multi Wall Floor 75 Πίνακας 3.8 Παραδείγματα απωλειών για διαφορετικά υλικά στο μοντέλο Multi Wall Floor.76 Πίνακας 4.1: Πειραματικές μετρήσεις.79 Πίνακας 4.2: Εξασθένηση διαφορετικών τύπων εμποδίων.79 Πίνακας 4.3: Το Μοντέλο Free Space και το Μέσο Σφάλμα του...81 Πίνακας 4.4: Το Μοντέλο One Slope και το Μέσο Σφάλμα του 83 Πίνακας 4.5: Προσαρμογή του συντελεστή Ν με κριτήριο την απόσταση στο μοντέλο της ITU..85 Πίνακας 4.6: Το Μοντέλο της ITU και το Μέσο Σφάλμα του..85 Πίνακας 4.7: Το Μοντέλο MWF και το Μέσο Σφάλμα του

16

17 Κεφάλαιο 1 Eισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Εισαγωγή Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Συμπεράσματα Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες είναι αναμφίβολα ο πιο ταχέως αναπτυσσόμενος τομέας στη βιομηχανία των επικοινωνιών. Η σπουδαιότητα και η αναγκαιότητα των ασυρμάτων επικοινωνιών είναι τόσο μεγάλη, που δικαίως έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον των μέσων και των πολιτών παγκοσμίως. Τα κυψελωτά συστήματα έχουν διανύσει μια πορεία εκθετικής ανάπτυξης τις τελευταίες δεκαετίες και αυτή τη στιγμή μετρούν δισεκατομμύρια χρήστες σε όλο τον κόσμο. Για παράδειγμα, τα κινητά τηλέφωνα έχουν εξελιχθεί σε εργαλείο καίριας σημασίας για το σύγχρονο τρόπο επικοινωνίας στον ανεπτυγμένο κόσμο, αντικαθιστώντας ραγδαία τα υπάρχοντα, ξεπερασμένα πλέον, ενσύρματα συστήματα. Επιπλέον, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα αντικαθιστούν τα ενσύρματα δικτυα σε μια σειρά από τοποθεσίες όπως σπίτια, επιχειρήσεις, πανεπιστήμια. Πολλές καινόυργιες εφαρμογές όπως τα «έξυπνα» σπίτια και οι «έξυπνες» συσκευές, η τηλεϊατρική, μετατρέπονται από ερευνητικές ιδεές σε πραγματικές εφαρμογές. Η εκρηκτική αύξηση των ασυρμάτων δικτύων σε συνδιασμό με τη γρήγορη εξάπλωση των laptop και των PDA s, προμυνήουν ένα λαμπρό μέλλον για τα ασύρματα δίκτυα, τόσο ως αυτόνομα δίκτυα όσο και ως κομμάτι μιας ευρύτερης δικτυακής υποδομής. Σε αυτό το κεφάλαιο, γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή και μια παρουσίαση των υπάρχοντων ασυρμάτων δικτύων και προτύπων καθώς και η εξέλιξη που αναμένεται, μέσα απο τις τεχνικές δυσκολίες που πρέπει να υπερκεραστούν. 1.1 Ιστορική αναδρομή Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες χαρακτηρίζονται από μια μακρόβια και αδιάλειπτη ιστορική εξέλιξη, ενώ στις μέρες μας ο τομέας αυτός υφίσταται ιστορικά, τη ταχύτερη ανάπτυξη του. Στη πραγματικότητα, η εξέλιξη των ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών συνέβη με αργό ρυθμό και ήταν πάντοτε στενά συνδεδεμένη με τις εκάστοτε τεχνολογικές εξελίξεις της εποχής. Παρουσιάζεται πιθανώς μια δυσκολία όσον αφορά στην ακριβή περιγραφή αυτής της εξέλιξης, ωστόσο θα σταθούμε σε μια σειρά από γεγονότα που αποτέλεσαν σταθμό σε αυτή τη διαδικασία. Πρώτα, ο Maxwell διατύπωσε μαθηματικά, τα ηλεκτομαγνητικά κύματα, ενώ στη συνέχεια σειρά ο Hertz επιβεβαιώσε πειραματικά την ύπαρξη τους.αυτός είναι και ο λόγος που ο Hertz θεωρείται ο θεμελειωτής των ασυρμάτων επικοινωνιών ενώ είναι χαρακτηριστικό ότι τα ραδιοκύματα αποκαλούνται ως φόρος τιμή, με τον όρο Herztian κύματα. Η συνέχεια αυτής της εξέλιξης σηματοδοτείται από τον Guglielmo Markoni, ο οποίος γύρω στα 1894, μετά από μια σειρά πειραμάτων και προσπαθειών, καταφέρνει να μεταδώσει σήματα σε απόσταση 2 χιλιομέτρων. Είναι δε εντυπωσιακό πως, συνεχίζοντας τις προσπάθειες του ο Ιταλός, επιτυγχάνει, 6 χρόνια αργότερα, ασύρματη επικοινωνία σε ακόμη μεγαλύτερη απόσταση και συγκεκριμένα στα 130 χιλιόμετρα. Μικρά βήματα προόδου παρατηρούνται πλέον όλο και συχνότερα και το ενδιαφέρον για ανάπτυξη απασχολεί όλο και περισσότερο την επιστημονική κοινότητα. Στις ΗΠΑ το 1934, 194 ραδιοσυστήματα της δημοτικής αστυνομίας και 58 αστυνομικοί σταθμοί είχαν υιοθετήσει κινητά επικοινωνιακά συστήματα με διαμόρφωση πλάτους (ΑΜ) προς όφελος της δημόσιας ασφάλειας. Το 1935 παρουσιάστηκε η 1

18 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες διαμόρφωση συχνότητας (FM) από τον Edwin Amstrong, μιας τεχνικής η οποία θα αποτελούσε τη βασική τεχνική διαμόρφωσης στο εξής. Ο δεύτερος παγκόσμιος πόλεμος επιτάχυνε τις εξελίξεις και την εμφάνιση καινοτομιών και έτσι φτάσαμε σε ένα σημείο όπου ο αριθμός των κινούμενων χρηστών ανήλθε από μερικές χιλιάδες το 1940 σε περίπου 1,2 εκατομμύρια το 1962, πάντα αναφερόμενοι στις ΗΠΑ. Το 1946 εισήχθη για πρώτη φορά σε 25 πόλεις των ΗΠΑ, η δημόσια υπηρεσία κινητής τηλεφωνίας (public mobile telephone service ). Τα αρχικά συστήματα χρησιμοποιούσαν έναν κεντρικό πομπό για τη κάλυψη μιας ολόκληρης μητροπολιτικής περιοχής. Η ανεπαρκής χρήση του ραδιοφάσματος περιόριζε τη χωρητικότητα του συστήματος, ενώ είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι, 30 χρόνια μετά την εισαγωγή της υπηρεσίας της κινητής τηλεφωνίας, το σύστημα της Νέας Υόρκης (με εν δυνάμει αγορά 10 εκατομμυρίων χρηστών) διέθετε μόνο 12 κανάλια και μπορούσε να εξυπηρετήσει μόνο 543 πελάτες (με ουρά αναμονής, για την υπηρεσία, πελατών το 1976). Στην πραγματικότητα, η δυνατότητα παροχής ασυρμάτων επικοινωνιών σε μια ευρύτατη μερίδα πληθυσμού δε θα γινόταν εφικτή πριν τις δεκαετίες Κατά την διάρκεια αυτών των δεκαετιών, τα εργαστήρια BELL καταφέρνουν να αναπτύξουν την ιδέα της κυψελωτής δομής, σύμφωνα με την οποία μια περιοχή κάλυψης διασπάται σε μικρά κελιά με σκοπό την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων και τη βελτίωση της χρήσης του ραδιοφάσματος. Η ιδέα αυτή έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην λύση των προβλημάτων χωρητικότητας και παρόλο που σαν ιδέα ήταν γενικώς ολοκληρωμένη στα τέλη του 1960, πιστοποιήθηκε εν τέλει από την FCC (Federal Communications Commision-Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών των ΗΠΑ) το Το 1983 εγκαταστάθηκε το πρώτο αναλογικό κυψελωτό σύστημα στο Σικάγο, το οποίο μέχρι το 1984 καταστάθηκε πλήρες. Η τρομακτική ζήτηση επέφερε γρήγορες εξελίξεις, εκπλήσσοντας τους πάντες (χαρακτηριστικά, η ΑΤ&Τ είχε διεξάγει έρευνα αγοράς προτού εισαχθεί αυτή η νέα τεχνολογία και είχε εσφαλμένα προβλέψει πως μόνο προνομιούχοι οικονομικα πολίτες θα επιδείκνυαν ενδιαφέρον). Αποτέλεσμα αυτών των απαιτήσεων της αγοράς ήταν και η δημιουργία της «ψηφιακής κυψελωτής τεχνολογίας» (digital cellular system hardwrade) με όφελος την αυξημένη χωρητικότητα, η οποία εισήχθει για πρώτη φορά το 1991 σε κύριες μητροπόλεις των ΗΠΑ. Η δεύτερη γενιά των κυψελωτών συστημάτων αναπτύχθηκε συνεπώς στις αρχές του 1990 και βασίστηκε στις ψηφιακές επικοινωνίες. Η μετάβαση από την αναλογική στην ψηφιακή εποχή ταυτίστηκε με υψηλότερη χωρητικότητα, βελτιωμένο κόστος και ταχύτητα. Παρόλο που, αρχικά, η δεύτερη γενιά των κυψελωτών συστημάτων παρείχε κυρίως υπηρεσίες φωνής, αυτά τα συστήματα κατόρθωσαν σταδιακά να υποστηρίξουν και υπηρεσίες δεδομένων όπως , πρόσβαση στο internet και ανταλλαγή μικρών μηνυμάτων. Δυστυχώς, η ταχεία διεύρυνση της αγοράς οδήγησε και σε ταχεία ανάπτυξη προτύπων για τα συστήματα δεύτερης γενιάς, όλα διαφορετικά μεταξύ τους. Διαφορετικά πρότυπα χρησιμοποιούνταν στην Ευρώπη, στην Ιαπωνία, ακόμη και στις ΗΠΑ, όλα ασύμβατα μεταξύ τους. Επιπλέον μερικές χώρες είχαν προχωρήσει σε υιοθέτηση συστημάτων 3 ης γενιάς επίσης με πολλαπλά πρότυπα. Παράλληλα με την ανάπτυξη των κυψελωτών συστημάτων, υπήρξε και η ανάπτυξη των δορυφορικών επικοινωνιών. Ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος, με το όνομα Sputnik I, τέθηκε σε τροχιά το 1957 από την ΕΣΣΔ, εφοδιασμένος με ένα πομποδέκτη που δούλευε σε δύο συχνότητες, και MHz, ενώ ο πρώτος αμερικανικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος, ο S.C.O.R.E εκτοξεύθηκε το Το 1962 πραγματοποιήθηκε η αποστολή του πρώτου ενεργού τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου αναμεταδόσης TELESTAR I, της AT&T, ο οποίος ήταν ο πρώτος δορυφόρος που πέτυχε τη μετάδοση ζωντανού τηλεοπτικού προγράμματος μεταξύ Ευρώπης και Βορείου Αμερικής, καθώς και της πρώτης δορυφορικής τηλεφωνικής κλήσης. Ο TELESTAR I λάμβανε στα 6GHz, μετέτρεπε σε χαμηλότερη συχνότητα, ενίσχυε, μετέτρεπε σε συχνότητα 4 GHz και εξέπεμπε. Το 1964 η μετάδοση των Ολυμπιακών Αγώνων γίνεται από την Ιαπωνία στις ΗΠΑ μέσω του πρώτου γεωστατικού δορυφόρου, του Syncom 3, που είχε τεθεί σε τροχιά το Ένα χρόνο αργότερα, χρονιά ορόσημο για το χώρο των δορυφορικών επικοινωνιών, εγκαινιάστηκε η σειρά δορυφόρων εμπορικής χρήσης, Intelsat, με την εκτόξευση του Early Bird (ή αλλιώς Intelsat I), ενώ η ΕΣΣΔ, συνεχίζοντας την ανάπτυξη της δορυφορικής τεχνολογίας, εγκαινιάσε τη σειρά Molniya το Μέχρι το 1967, 6 δορυφόροι 2

19 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Molniya προσέφεραν κάλυψη σε ολόκληρη τη Σοβιετική Ένωση. Τη σκυτάλη πήρε το 1967 ο Intelsat II, ο οποίος είχε τη δυνατότητα εξυπηρέτησης 240 τηλεφωνικών συνδιαλέξεων ή ενός τηλεοπτικού καναλιού ενώ την ίδια χρονιά εκτοξεύετηκε και πρώτος γεωστατικός μετεωρολογικός δουρυφόρος, ATS 3. Στις αρχές του 1976 η AT&T και η Comsat εκτόξευσαν το πρώτο δορυφόρο της σειράς Comsat που γρήγορα πέρασε από τη μετάδοση φωνής και δεδομένων στη μετάδοση τηλεοπτικού προγράμματος. Στη συνέχεια, το 1977 ιδρύθηκε ο ΕUTELSAT και 6 χρόνια αργότερα πραγματοποιήθηκε η εκτόξευση του πρώτου Ευρωπαϊκού δορυφόρου ECS (Eutelsat I). Η Ελλάδα έγινε μέλος της ΕSA το 2001, μίσθωσε το 2002 το πρώτο της δορυφόρο και ένα χρόνο αργότερα τέθηκε σε τροχιά ο πρώτος ελληνικός δορυφόρος, HELLAS-SAT. 1.2 Τα Ασύρματα Συστήματα σήμερα Σε αυτή την ενότητα περιγράφεται η εικόνα των βασικών ασυρμάτων δικτύων τα οποία βρίσκουν εφαρμογή στις μέρες μας. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η ταχύτητα με την οποία εξελίσσονται τα υπάρχοντα συστήματα ή παρουσιάζονται καινούριες τεχνολογίες, είναι τεράστια. Ως εκ τούτου, εδώ θα επικεντρωθούμε στις κύριες τεχνολογίες των πιο δημοφιλών συστημάτων που χρησιμοποιούνται σήμερα Κυψελοειδή Τηλεφωνικά Συστήματα Τα κυψελοειδή συστήματα κινητής τηλεφωνίας είναι εξαιρετικά δημοφιλή και κερδοφόρα παγκοσμίως. Αυτά είναι τα συστήματα που πυροδότηταν την επανάσταση στο χώρο των ασυρμάτων επικοινωνιών. Παρέχουν αμφίδρομη δυνατότητα ομιλίας και μετάδοσης δεδομένων με τοπική, εθνική και διεθνή κάλυψη. Σχεδιάστηκαν αρχικά για χρήση σε κινητούς σταθμούς εντός των αυτοκινήτων, των οποίων οι κεραίες ήταν τοποθετημένες στην οροφή τους. Σήμερα τα συστήματα αυτά εξυπηρετούν μικρούς, ευέλικτους κινητούς σταθμούς, οι οποίοι λειτουργούν εντός και εκτός κτηρίων και που μετακινούνται με διάφορες ταχύτητες. Η σχεδίαση της κυψελωτής δομής βασίζεται στην επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων, εκμεταλλευόμενη το γεγονός πως το σήμα εξασθενεί με την απόσταση και έτσι χρησιμοποιείται το ίδιο φάσμα συχνοτήτων ανά συγκεκριμένες περιοχές. Συγκεκριμένα, μια δεδομένη περιοχή κάλυψης χωρίζεται σε μη επικαλυπτόμενα κελιά όπου ένα συγκεκριμένο σετ καναλιών δίδεται προς χρήση στο κάθε κελί. Το ίδιο σετ καναλιών χρησιμοποιείται και σε ένα άλλο κελί που βρίσκεται σε κάποια μακρινή απόσταση. Η λειτουργία εντός του κελιού ελέγχεται από ένα κεντρικό σταθμό βάσης. Η παρεμβολή που προκαλείται από χρήστες που χρησιμοποιούν το ίδιο σετ καναλιών και βρίσκονται σε διαφορετικό κελί ονομάζεται διακυψελωτή παρεμβολή (intercell interference). Ο τρόπος χωρισμού των καναλιών πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε η απόσταση μεταξύ των κελιών που χρησιμοποιούν τα ίδια κανάλια να γίνεται ελάχιστη, με σκοπό την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων όσο πιο συχνά γίνεται, γεγονός που συμβάλλει σημαντικά στην αποδοτική χρήση του φάσματος. Ωστόσο, όσο η απόσταση επαναχρησιμοποίησης μειώνεται, τόσο αυξάνεται η διακυψελική παρεμβολή λόγω της μικρότερης απόστασης διάδοσης μεταξύ των παρεμβαλόμενων κελιών. Συνεπώς, από τη στιγμή που η διακυψελική παρεμβολή πρέπει να παραμένει κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο ώστε να έχουμε αποδεκτή λειτουργία του συστήματος, είναι προφανές πως η απόσταση επαναχρησιμοποιήσης των συχνοτήτων, δε μπορεί να πέσει κάτω από μια ελάχιστη τιμή. Πρακτικά είναι σχετικά δύσκολο να προσδιοριστεί αυτή η ελάχιστη τιμή αφού, τόσο τα μεταδιδόμενα όσο και τα παρεμβαλόμενα σήματα υφίστανται τυχαίες μεταβολές ισχύος εξαιτίας των χαρακτηριστικών της ασύρματης διάδοσης. Για να προσδιοριστεί συνεπώς η βέλτιστη απόσταση επαναχρησιμοποιήσης και η βέλτιστη τοποθέτηση του σταθμού βάσης, είναι απαραίτητος ο ακριβής χαρακτηρισμός της διάδοσης του σήματος εντός των κελιών. 3

20 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Εικόνα 1.1: Το κυψελοειδές τηλεφωνικό σύστημα Τα αρχικά κυψελωτά συστήματα χαρακτηρίζονταν από το υψηλό κόστος των σταθμών βάσης και αυτός ήταν ο λόγος που τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούσαν ένα σχετικά μικρό αριθμό κυψελών για τη κάλυψη μιας μεγάλης περιοχής ή μιας ολόκληρης πόλης. Οι σταθμοί βάσης των κυψελών τοποθετούνταν σε ψηλά κτήρια ή σε βουνά και μετέδιδαν σε πολύ υψηλά επίπεδα ισχύος, καθώς η περιοχή κάλυψης μπορεί να ήταν αρκετά τετραγωνικά χιλιόμετρα. Αυτές οι κυψέλες, ακριβώ λόγω του μεγάλου τους μεγέθους, ονομάζονται μακροκυψέλες (macrocells). Το σήμα διαδιδόταν ομοιόμορφα σε όλες τις κατευθύνσεις ώστε ο χρήστης κινούμενος σε ένα κύκλο γύρω από το σταθμό βάσης να λαμβάνει συνεχώς σήμα, αν αυτό βέβαια δε μπλοκαριζόταν από κάποιο αντικείμενο. Αυτή η λογική οδήγησε σε μια εξαγωνική γεωμετρική μορφή του κελιού, καθώς το εξάγωνο είναι το κοντινότερο σχήμα στο κύκλο, το οποίο μπορεί να προσφέρει κάλυψη σε μια συγκεκριμένη περιοχή χωρίς πολλαπλή επικάλυψη των κελιών. Σήμερα, τα κυψελωτά συστήματα στις αστικές περιοχές, χρησιμοποιούν ως επι το πλείστον μικρότερερες κυψέλες με τους σταθμούς βάσης να βρίσκονται πιο κοντά στο επίπεδο των δρόμων, εκπέμποντας σε πολύ χαμηλότερη ισχύ. Αυτές οι μικρότερες κυψέλες ονομάζονται μικροκυψέλες ή πικοκυψέλες, ανάλογα με το μέγεθος τους. Αυτή η εξέλιξη συνέβη για δύο λόγους πρώτον, εξαιτίας της ανάγκης για μεγαλύτερη χωρητικότητα σε περιοχές με μεγάλη πυκνότητα χρηστών σε περιορισμένο μέγεθος και δεύτερον λόγω του κόστους των ηλεκτρονικών των σταθμών βάσης. Ένα κελί οποιουδήποτε μεγέθους μπορεί να εξυπηρετήσει χοντρικά τον ίδιο αριθμό 4

21 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες χρηστών αν το σύστημα «κλιμακωθεί» με ανάλογο τρόπο. Έτσι, για μια δεδομένη περιοχή κάλυψης, ένα σύστημα με πολλές μικροκυψέλες έχει έναν υψηλότερο αριθμό χρηστών ανα περιοχή, σε σχέση με ένα σύστημα που διαθέτει λίγες μακροκυψέλες. Επιπλέον, απαιτείται λιγότερη ισχύς στους κινητούς σταθμούς στα μικροκυψελικά συστήματα, αφού οι κινητοί σταθμοί είναι πιο κοντά στους σταθμούς βάσης. Ωστόσο η εξέλιξη προς τις μικρότερες κυψέλες, έχει περιπλέξει το σχεδιασμό του δικτύου. Οι κινητοί χρήστες διασχίζουν πολύ πιο γρήγορα μια τέτοια κυψέλη σε σχέση με μια μεγάλη γι αυτό οι μεταπομπές πρέπει να διεκπεραιώνονται πολύ γρηγορότερα. Επίσης, η διαχείριση θέσης γίνεται πολυπλοκότερη από τη στιγμή που υπάρχουν περισσότερες κυψέλες σε μια δεδομένη περιοχή, στην οποία είναι πιθανό να βρεθεί ο χρήστης. Επιπλέον είναι, δυσκολότερη η ανάπτυξη γενικών μοντέλων διάδοσης για μικρές κυψέλες, αφού η μετάδοση του σήματος σε αυτές τις κυψέλες εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θέση του σταθμού βάσης και τη γεωμετρία των περιβαλλόμενων ανακλαστήρων. Συγκεκριμένα, η εξαγωνική μορφή της κυψέλης, δεν είναι γενικά καλή προσέγγιση για τη διάδοση του σήματος στις μικροκυψέλες, και αυτός είναι ο λόγος που οι μικροκυψέλες σχεδιάζονται συχνά χρησιμοποιώντας τετραγωνική ή τριγωνική μορφή. Ωστόσο, αυτοί οι σχεδιασμοί έχουν ένα μεγαλύτερο επίπεδο θορύβου στη προσέγγισή τους για τη μετάδοση του σήματος στις μικροκυψέλες. Η πρώτη γενιά κυψελωτών συστημάτων χρησιμοποιούσε αναλογικές επικοινωνίες, αφού σχεδιάστηκαν γύρω στα 1960, πολύ πριν επικρατήσουν οι ψηφιακές επικοινωνίες. Τα συστήματα δεύτερης γενιάς «μετακινήθηκαν» στις ψηφιακές επικοινωνίες λόγω των πολλαπλών πλεονεκτημάτων, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Η ποιότητα φωνής είναι υψηλότερη λόγω της κωδικοποίησης διόρθωσης λαθών, ενώ τα ψηφιακά συστήματα διαθέτουν επίσης υψηλότερη χωρικότητα σε σχέση με τα αντίστοιχα αναλογικά και αυτό επιτυγχάνεται χάρη στην αποδοτικότερη (σε σχέση με το φάσμα συχνοτήτων) ψηφιακή διαμόρφωση και στις αποδοτικότερες τεχνικές για το διαμοιρασμό του φάσματος. Τα κυψελωτά συστήματα προσφέρουν επίσης υπηρεσίες δεδομένων, εκτός από ομιλία, συμπεριλαμβανομένων των μικρών μηνυμάτων, του , της πρόσβασης στο internet κτλ Τα Ασύρματα Τηλέφωνα Τα ασύρματα τηλέφωνα εμφανίστηκαν για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και έκτοτε έχουν υποστεί θεαματική ανάπτυξη. Πολλά σπίτια διαθέτουν τέτοια τηλέφωνα σήμερα, παρόλο το μικρό ρίσκο, καθότι τα τηλέφωνα αυτά δε λειτουργούν κατά τη διάρκεια διακοπών ρεύματος, σε αντίθεση με τα αντίστοιχα κλασσικά ενσύρματα τηλέφωνα. Σχεδιάστηκαν αρχικά με σκοπό να παρέχουν μια χαμηλού κόστους αλλά και περιορισμένης κινητικότητας ασύρματη σύνδεση με το PSTN δίκτυο.τα πρώτα ασύρματα συστήματα επέτρεπαν σε μόνο ένα ακουστικο να είναι συνδεδεμένο με τη μονάδα βάσης και η κάλυψη περιοριζόταν σε ένα μικρό χώρο, όπως για παράδειγμα λίγα δωμάτια ενός σπιτιού ή ενός γραφείου. Παρόλο που, ακόμη και σήμερα αυτή είναι η βάση των ασυρμάτων τηλεφώνων, η κάλυψη έχει βελτιωθεί και υπάρχει η δυνατότητα πολλαπλής σύνδεσης ακουστικών, σε ορισμένες μονάδες βάσης. Στην Ευρώπη και την Ασία έχουν αναπτυχθεί ψηφιακά ασύρματα τηλεφωνικά συστήματα που παρέχουν κάλυψη σε πολύ μεγαλύτερες περιοχές και παρουσιάζουν αρκετές ομοιότητες με τα κυψελοειδή συστήματα. Οι μονάδες βάσης των ασυρμάτων τηλεφώνων συνδέονται με το PSTN δίκτυο ακριβώς όπως ένα κανονικό τηλέφωνο και συνεπώς δεν επιβαρύνουν με κάποια επιπλέον πολυπλοκότητα το τηλεφωνικό δίκτυο. Η δυνατότητα κίνησης των ασυρμάτων ακουστικών είναι εξαιρετικά περιορισμένη, το ακουστικό πρέπει να παραμένει εντός της εμβέλειας της μονάδας βάσης. Δεν υπάρχει κανένας συντονισμός μεταξύ των ασυρμάτων τηλεφωνικών συστημάτων και έτσι η μεγάλη πυκνότητα τέτοιων συστημάτων σε μια μικρή περιοχή μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική παρεμβολή μεταξύ τους. Γι αυτό το λόγο τα σημερινά ασύρματα τηλέφωνα διαθέτουν πολλαπλά κανάλια φωνής, από τα οποία επιλέγεται εκείνο με τη μικρότερη παρεμβολή, αφού σκαναριστούν. Επίσης, πολλά ασύρματα τηλέφωνα χρησιμοποιούν τεχνικές εξάπλωσης φάσματος, ώστε να μειώσουν τη παρεμβολή από άλλα 5

22 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες ασύρματα τηλεφωνικά συστήματα ή από άλλα συστήματα γενικότερα όπως τα ασύρματα δίκτυα (Wireless LΑΝs). Κατά την εξέλιξη αυτών των συστημάτων, δημιουργήθηκαν σε Ευρώπη και Ασία τα ψηφιακά ασύρματα τηλέφωνα δεύτερης γενιάς (CT-2). Γνώρισαν ιδαίτερη άνθιση στο Hong Kong και τη Σιγκαπούρη στα μέσα της δεκαετίας του 1990, ωστόσο η επιτυχία τους ανακόπηκε από την ανάπτυξη των κυψελοειδών τηλεφωνικών συστημάτων, τα οποία κατάφεραν να δώσουν λύσεις τις οποίες δε μπορούσαν να προσφέρουν τα ασύρματα τηλέφωνα, όπως η ελλειπής ραδιοκάλυψη και η απουσία δυνατότητας μεταπομπής. Ένα άλλο σύστημα που αναπτύχθηκε ήταν το Ευρωπαϊκό σύστημα DECT, αν και ούτε αυτό έτυχε εξαιρετικής επιτυχίας, πιθανόν για τους ίδιους λόγους της αποτυχίας του CT-2 (στη Ευρώπη υπάρχουν περίπου 7 εκατομμύρια χρήστες του συστήματος DECT). Στην Ιαπωνία, τέλος, αναπτύχθηκε ένα ακόμα πιο εξελιγμένο σύστημα, το PHS (Personal Handyphone System). Το PHS είναι αρκετά όμοιο με ένα κυψελοειδές σύστημα ενώ υποστηρίζει μεταπομπή και δρομολόγηση κλήσεων μεταξύ των σταθμών βάσης. Με τέτοιες δυνατότητες το PHS αποφεύγει τους περιορισμούς του CT-2 συστήματος. Τα PHS συστήματα έτυχαν μιας αποδοχής, από τις πιο ταχείες και άμεσες που είχε γνωρίσει ποτέ μια νέα τεχνολογία. Το 1997, δύο χρόνια μετά την εισαγωγή του PHS, υπήρχαν 7 εκατομμύρια χρήστες, ωστόσο αυτή η δημοφιλία άρχισε να φθίνει λόγω της μείωσης των τιμών από τους παρόχους των κυψελοειδών συστημάτων και έτσι το 2005 είχαν απομείνει περίπου 4 εκατομμύρια χρήστες, οι οποίοι έλκονταν κυρίως από τις σχετικά υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων της εποχής (128 Kbps), ταχύτητες που τότε δε μπορούσε να ανταγωνιστεί ένα κυψελοειδές σύστημα. Εικόνα 1.2: Το σύστημα DECT 6

23 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Ασύρματα Δίκτυα Στον ιδιαίτερα νευραυλγικό τομέα των δικτύων, τα πλεονεκτήματα της ασύρματης τεχνολογίας είναι εξαιρετικής σπουδαιότητας. Η ασύρματη ευρυζωνικότητα παρέχει πρόσβαση στο Internet σε κινητές συσκευές, δίνοντας επιπροσθέτως στους διαχειριστές του δικτύου, τη δυνατότητα να επεκτείνουν τα δίκτυα τους πέρα από την εμβέλεια των ενσύρματων δικτύων. Αυτό σημαίνει πως ένα από τα πιο σημαντικά πλεονέκτημα της ασύρματης δικτύωσης είναι η κινητικότητα (mobility). Οι χρήστες ενός ασύρματου δικτύου, αφού πρώτα συνδεθούν σε υπάρχοντα δίκτυα, μπορούν στη συνέχεια να μετακινούνται ελεύθερα, σύμφωνα με τις ανάγκες και τη θέληση τους. Τα ασύρματα δίκτυα απαλλάσσουν εκατομμύρια ανθρώπους από τα δεσμά ενός Ethernet καλωδίου σε ένα γραφείο και τους δίνουν τη δυνάτοτητα εργασίας σε απομακρυσμένους χώρους όπως βιβλιοθήκες, σπίτια, χώρους συνεδριάσεων κτλ. Όσο οι χρήστες παραμένουν εντός της εμβέλειας του σταθμού βάσης, μπορούν να κάνουν χρήση των πλεονεκτημάτων του ασύρματου δικτύου. Ανάλογα με τον τύπο του δικτύου που χρησιμοποιεί κανείς, υπάρχει η δυνατότητα διατήρησης της σύνδεσης ακόμη και εντός κινούμενου οχήματος. Με ένα κοινού τύπου απλό εξοπλισμό, μπορούμε εύκολα να καλύψουμε τους χώρους ενός πανεπιστημίου, ενώ με έναν πιο αναβαθμισμένο εξοπλισμό και κατάλληλη γεωγραφική περιοχή μπορούμε να επεκτείνουμε την εμβέλεια μέχρι το όριο λίγων χιλιομέτρων. Επίσης, εγκαθιστώντας ένα προσωπικό δίκτυο σε ένα οποιοδήποτε χώρο, είναι πολύ ευκολότερη η επέκταση του, χρησιμοποιώντας ζεύξεις Wi-Fi για παράδειγμα, σε σχέση με την αναζήτηση ενός φυσικού δρόμου με καλώδια ανάμεσα σε ένα ρούτερ και τον υπολογιστή. Εικόνα 1.3: Σχεδιάγραμμα ενός τυπικού WLAN 7

24 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Τα ασύρματα δίκτυα διαθέτουν, τυπικά, μια μεγάλη ικανότητα «ευελιξίας», χαρακτηριστικό που είναι ιδιαίτερα σημαντικό στους παρόχους των υπηρεσιών. Οι κατασκευαστές των εξοπλισμών , ανάμεσα στα άλλα, έχουν επικεντρωθεί και στην αγορά που κοινώς πλεόν αποκαλούμε συνδεσιμότητα «hot spot». Τα αεροδρόμια και οι σταθμοί τρένων ολοένα και πιο συχνά φιλοξενούν προσωρινά, ανάμεσα στα δρομολόγια, μεγάλο αριθμό ταξιδιωτών που έχουν τεράστια ανάγκη τη προσβασιμότητα στο Internet, ενώ ήδη δεκάδες επιχειρήσεις, όπως καφετέριες και ξενοδοχεία, προσφέρουν αντιστοιχες δυνατότητες στους πελάτες τους. Παρόλο που τα ασύρματα τοπικα δίκτυα (WLAN) έχουν κατά κάποιο τρόπο περιορισμένο εύρος ζώνης, ο περιοριστικός παράγοντας στη δικτύωση ενός μικρού hot spot είναι μάλλον το κόστος του εύρους ζώνης ενός WAN δικτύου. Αυτό ακριβώς το πλεονέκτημα της ευελιξίας είναι που έχει οδηγήσει και στην ανάπτυξη δικτύων από διάφορες κοινότητες πολιτών, οι οποίοι αδράττοντας την ευκαιρία λόγω των κάθετης πτώσης των τιμών του σχετικού εξοπλισμού, στήνουν εθελοντικά τα δικά τους κοινόχρηστα ασύρματα δίκτυα, τα οποία είναι ανοιχτά στους επισκέπτες. Με αυτό τον τρόπο επεκτείνεται η δυνατότητα πρόσβασης σε γρήγορο Internet σε με μεγάλες μερίδες πληθυσμού, για τους οποίους η δυνατότητα αυτή παρέμενε μέχρι πρόσφατα απλά ένα όνειρο. Εικόνα 1.4: Σύνδεση στο Internet μέσω Hot spot σε σιδηροδρομικο σταθμό Ένα ασύρματο δίκτυο συνδιάζει δύο διαφορετικές τεχνολογίες από το χώρο των επικοινωνιών: τα δίκτυα δεδομένων που καθιστούν δυνατή τη μετάδοση πληροφοριών ανάμεσα σε δυο ή περισσότερους υπολογιστές και την ραδιο-επικοινωνία (ή ασύρματη επικοινωνία) που χρησιμοποιεί τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα για τη μετάδοση δεδομένων από το ένα μέρος στο άλλο. Τα αρχικά συστήματα Wi-Fi παρείχαν μια βολική λύση για τη σύνδεση ενός laptop με ένα δίκτυο ενός γραφείου για παράδειγμα ή για τη σύνδεση υπολογιστών σε ένα οικιακό δίκτυο χωρίς την τοποθέτηση καλωδίων ανάμεσα στα δωμάτια. Σήμερα, τα συστήματα Wi-Fi και άλλες ευρυζωνικές υπηρεσίες, επιτρέπουν σε εκατομμύρια χρήστες τη σύνδεση τους με το Internet, όταν βρίσκονται απομακρυσμένοι από τα σπίτια ή τα γραφεία, καθώς τα ασύρματα σήματα προσφέρουν κάλυψη σε ολόκληρες μητροπολιτικές περιοχές. Μια μεγάλη γκάμα προϊόντων και υπηρεσιών που χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους, προσπαθούν να επιτύχουν ουσιαστικά τον ίδιο στόχο την ασύρματη ανταλλαγή δεδομένων 8

25 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες χρησιμοποιώντας ραδιο-σήματα. Κάθε υπηρεσία διαθέτει κάπως διαφορετικά χαρακτηριστικά, και χρησιμοποιεί μια ελαφρώς διαφορετική τεχνολογία. Τα τρία πιο ευρέως γνωστά συστήματα σήμερα είναι το Wi-Fi, το WiMax και η κυψελωτή υπηρεσία 3G Ασύρματες υπηρεσίες δεδομένων Εξαιτίας του τεράστιου πλεονεκτήματος των ραδιοσημάτων να ταξιδεύουν στον αέρα, είναι εφικτή η δημιουργία μιας σύνδεσης με ένα δίκτυο, από οποιοδήποτε σημείο βρίσκεται εντός της εμβέλειας του πομπού του σταθμού βάσης,. Ωστόσο, η ασύρματη δικτύωση δεν είναι πάντα η πιο ασφαλής λύση, καθώς τα ενσύρματα δίκτυα είναι γενικά πιο ασφαλή, υπό την έννοια ότι είναι αρκετά δυσκολότερο να έχουν πρόσβαση μη πιστοποιημένοι χρήστες ή υποκλοπείς, που σκοπό έχουν τη παρακολούθηση των δεδομένων καθώς αυτά κινούνται μέσα στο δίκτυο.επίσης σε μια καλωδιωμένη ζεύξη δεν απαιτούνται τόσες πολλές και πολύπλοκες «διαπραγματεύσεις» μεταξύ πομπού και δέκτη, σε επίπεδο πρωτοκόλλων κτλ. Αυτή τη στιγμή λοιπόν, υπάρχουν αρκετά ασύρματα συστήματα δεδομένων και υπηρεσιών, που επιτρέπουν τη σύνδεση των υπολογιστών και άλλων συσκευών με τα τοπικά δίκτυα και το Internet. Μερικά παραδείγματα, όπως ήδη έχει αναφερθεί είναι, το WiFi, το WiMax και μια σειρά από υπηρεσίες που βασίζονται στις τελευταίες γενιές της τεχνολογίας της κυψελοειδούς τηλεφωνίας. WiFi Η IEEE, κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών έχει δημιουργήσει μια μεγάλη σειρά από πρότυπα και προδιαγραφές για τα ασύρματα δίκτυα υπο το γενικό τίτλο , που ορίζουν την οργάνωση και τις δομές που αφορούν τα σχετικά μικρής εμβέλειας σήματα, τα οποία παρέχουν την υπηρεσία Wi-Fi. Το αρχικό πρότυπο, το , κυκλοφόρησε το 1997 και κάλυπτε αρκετούς τύπους ασύρματων μέσων. Το b παρέχει πρόσθετες προδιαγραφές για τα ασύρματα δίκτυα Ethernet, ενώ το a περιγράφει ασύρματα δίκτυα που λειτουργούν σε μεγαλύτερες ταχύτητες και διαφορετικές συχνότητες. Επίσης, επιπλέον πρότυπα είναι διαθέσιμα ή είναι έτοιμα προς διάθεση στην αγορά. Σήμερα, τα πρότυπα με την πιο ευρεία χρήση είναι τα a, b και g, n τα οποία είναι de facto τα πρότυπα που χρησιμοποιούνται σε γραφεία και δημόσιους χώρους καθώς επίσης και στα περισσότερα οικιακά δίκτυα. Είναι ενδιαφέρον να παρακολουθήσει κανείς την περαιτέρω εξέλιξη των προτύπων, αλλά για την ώρα το a και το g είναι αυτά που χρησιμοποιούνται στα μικρής εμβέλειας ασύρματα δίκτυα, ειδικά αν αναμένει κανείς να συνδεθεί σε δίκτυα όπου δεν διαθέτει το πλήρη έλεγχο του λειτουργικού. Το n αντικαθιστά αυτή τη στιγμή σταδιακά τόσο το b όσο και το g, καθώς είναι ταχύτερο, ασφαλέστερο και πιο αξιόπιστο. Τα παλαιότερα πρότυπα θα συνεχίσουν να λειτουργούν και έτσι, οι νέοι Wi-Fi εξοπλισμοί θα υποστηρίζουν συνολικά και τα τρία (συχνά ίσως και το a, το οποίο λειτουργεί σε διαφορετικές συχνότητες) και θα αντιστοιχίζουν αυτόματα τη διεπαφή του δικτύου με τα σήματα που θα ανιχεύονται από τον κάθε σταθμό βάσης. Υπάρχουν δύο διαφορετικά ονομάτα που αφορούν τα πρότυπα των ασυρμάτων δικτύων, τα οποία πρέπει να διασαφηνίσουμε: WECA και Wi-Fi. Η WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) είναι ένα βιομηχανικό γκρουπ που περιλαμβάνει όλους τους κύριους κατασκευαστές εξοπλισμού Ethernet. Ο διπλός σκοπός τους είναι να δοκιμάζουν και να πιστοποιούν ότι οι συσκευές των ασυρμάτων δικτύων όλων των εταιριών-μελών, έχουν την ικανότητα να λειτουργούν μαζί στο ίδιο δίκτυο καθώς και να προωθούν το πρότυπο ως το παγκόσμιο πρότυπο για τα ασύρματα τοπικα δίκτυα (WLANs). Οι υπεύθυνοι μάρκετινγκ της WECA έχουν υιοθετήσει μια πιο φιλική ονομασία για τα πρότυπα και αυτή δεν είναι άλλη από την ονομασία Wi-Fi, ενώ για την αναγνώριση μιας πιστοποιημένης από την WECA συσκευής, έχει υιοθετιθεί ένα logo, το οποίο φέρει πάνω της. 9

26 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Εικόνα 1.5: Το logo του Wi-Fi Αρχικά, το Wi-Fi αποσκοπούσε στο να αποτελέσει την επέκταση ενός ενσύρματου LAN, έτσι ώστε οι αποστάσεις μεταξύ των Wi-Fi σταθμών βάσης και των υπολογιστών που εξυπηρετούνται μέσω αυτών, να περιοριορίζονται στα 35 μέτρα περίπου για εσωτερικούς χώρους και στα 100 μέτρα περίπου για εξωτερικούς χώρους, υποθέτοντας ότι δεν υπάρχουν εμπόδια μεταξύ του access point και του υπολογιστή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να επεκτείνουμε την εμβέλεια ενός σήματος Wi-Fi, ωστόσο αυτές οι τεχνικές απαιτούν ειδικό εξοπλισμό και προσεκτικά μελετημένη εγκατάσταση. Εξ αιτίας του γεγονότος πως τα περισσότερα Wi-Fi σήματα έχουν μια τέτοια περιορισμένη εμβέλεια, πρέπει κανείς να αναζητά νέο access point ή hot spot και να δημιουργεί μια νέα σύνδεση κάθε φορά που μετακινείται σε μια καινούργια θέση. Επιπλέον, επειδη πολλά Wi-Fi access points δεν επιτρέπουν σε «ξένους» χρήστες να συνδεθούν με αυτά, είναι πιθανόν να απαιτείται η δημιουργιά ενός ξεχωριστού λογαριασμού σε κάθε θέση. Πίνακας 1.1 : Τα χαρακτηριστικά των διαφόρων εκδόσεων του προτύπου

27 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Μητροπολιτικές υπηρεσίες Wi-Fi (Metropolitan Wi-Fi services) Σε κάποιες αστικές περιοχές συχνά εγκαθίσταται, από τις τοπικές κυβερνητικές αρχές ή από ιδιωτικές εταιρίες, ένας μεγάλος αριθμός από διασυνδεδεμένους σταθμούς βάσης Wi-Fi, με σκοπό τη παροχή ασύρματων υπηρεσιών σε μια ολόκληρη περιοχή ή σε προεπιλεγμένες συνοικίες, προσφέροντας μια οικονομική εναλλακτική επιλογή σε σχέση με τις καλωδιακές και τηλεφωνικές (DSL) υπηρεσίες. Αυτοί οι σταθμοί βάσης εγκαθίστανται στις περισσότερες περιπτώσεις στους τηλεφωνικούς πυλώνες ή στις στέγες πολυκατοικιών. Τα ίδια δίκτυα μπορούν επίσης να παρέχουν μια ποικιλία ειδικών υπηρεσιών σε τοπικούς κυβερνητικούς αλλα και άλλους σημαντικούς συνδρομητές. Για παράδειγμα, οι υπηρεσίες κοινής ωφέλειας (νερού, φυσικού αερίου, ηλεκτρισμού) οι οποίες θα μπορούσαν να προσαρμόσουν μικρούς Wi-Fi αντάπτορες στους μετρητές τους, ώστε χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα να έχουν τη δυνατότητα να αποστέλουν μετρήσεις μια φορά το μήνα ή τα αστικά λεωφορεία τα οποία θα μπορούσαν να διαθέτουν αναμεταδότες και να αναφέρουν τη θέση τους σε ένα κενρικό σύστημα παρακολούθησης και ελέγχου, όπως αυτό στο Σιάτλ. Εικόνα 1.6: Παροκολούθηση της θέσης των λεωφορείων στο Σιάτλ, με χρήση τεχνολογία Wi-Fi Δεν είναι ακόμη ξεκάθαρο αν αυτές οι υπηρεσίες Wi-Fi που καλύπτουν ολόκληρες αστικές περιοχές, θα μπορέσουν να ξεπεράσουν πιθανά προβλήματα παρεμβολών, ζητήματα ανταγωνισμού με άλλα εναλλακτικά ασύρματα δίκτυα ή εν τέλει αν θα συνεχίσουν να έλκουν ιδιωτικές εταιρίες να συμμετέχουν ώστε να παραμείνουν βιώσιμα. Ωστόσο αν ανταπεξέλθουν στα ζητήματα αυτά, τότε κάθε υπολογιστής που θα διαθέτει έναν Wi-Fi αντάπτορα εντός της περιοχής κάλυψης, θα μπορεί να ανιχνεύει σήμα και να έχει πρόσβαση σε ευρυζωνική σύνδεση στο Internet. 11

28 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Κυψελοειδείς ασύρματες υπηρεσίες (Cellular Mobile Wireless Services) Κάμποσες ευρυζωνικές, ασύρματες υπηρεσίες δεδομένων, αποτελούν σήμερα επέκταση της υπάρχουσας τεχνολογίας της ασύρματης κυψελοειδούς τηλεφωνίας. Πιθανόν να είναι γνωστές στους πιο πολλούς, ως υπηρεσίες 3G, επειδή ακριβώς είναι βασισμένες στη τεχνολογία κυψελοειδούς τηλεφωνίας τρίτης γενιάς. Ανατρέχοντας λίγα χρόνια πίσω θα βλέπαμε πως τα πρώτα τηλέφωνα ήταν κατάλληλα μόνο για κλήσεις ομιλίας, αλλά καθώς εξελισσόταν κάθε νέα γενιά και όταν αυτή εισερχόταν στην αγορά, παράγονταν πολλές καινούριες δυνατότητες για τους χρήστες. Για όλους εκείνους τους χρήστες που χρησιμοποιούν τους υπολογιστές τους μακριά από το σπίτι ή το γραφείο τους, το σημαντικό πλεονέκτημα μιας ευρυζωνικής κινητής υπηρεσίας έγκειται στο γεγονός ότι καλύπτει μια πολύ ευρύτερη περιοχή σε σχέση με οποιονδήποτε Wi-Fi σταθμό βάσης και συνεπώς μπορεί κανείς να συνδέεται στο Internet χωρίς να είναι απαραίτητο να ψάχνει για ένα νέο hot spot χρησιμοποιώντας διαφορετικό λογαριασμό σε κάθε νέα θέση ενώ είναι δυνατόν να διατηρηθεί η ίδια σύνδεση ενεργή μέσα ένα κινούμενο όχημα. Κάθεμια από τις κύριες ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες προσφέρει κάλυψη στις περισσότερες αστικές περιοχές και σε αρκετές από τις περιοχές της υπαίθρου ανάμεσα στις πόλεις. Πινακας 1.2: Οι γενιές της κυψελοειδούς κινητής τηλεφωνίας 12

29 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Φυσικά, έχει εξελιχθεί ταυτόχρονα και η τεχνολογία των υπολογιστών και έτσι τα κινητά τηλέφωνα 2.5G και 3G συχνά διαθέτουν αρκετή υπολογιστική ισχύ, που τους επιτρέπει να μπορούν να χρησιμοποιούνται και σαν τερματικά Internet, «τσέπης» (όπως εξίσου σαν κάμερες η αναπαραγωγείς πολυμέσων). Ένα εξίσου σημαντικό στοιχείο είναι το ότι οι ευρυζωνικοί αντάπτορες δεδομένων τεχνολογίας 2.5G και 3G μπορούν να προσαρμοστούν σε άλλους φορητούς υπολογιστές και να παρέχουν απευθείας ασύρματη σύνδεση στο Internet μέσω της ίδιας εταιρίας κυψελοειδούς τηλεφωνίας που παρέχει την υπηρεσία κινητής τηλεφωνίας. Σήμερα, οι περισσότερες ασύρματες ευρυζωνικές υπηρεσίες προσφέρουν αντάπτορες σε μέγεθος μιας πιστωτικής κάρτας που συνδέονται σε laptop ή desktop pc ενώ πολλά κανούρια laptop έχουν ενσωματωμένους εσωτερικά τέτοιους αντάπτορες και ενσωματωμές κεραίες τόσο για Wi-Fi όσο και για ασύρματο 3G ή για WiMAX, που εδράζονται κατευθείαν πάνω στη motherboard. WiMAX Το WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) είναι μια ακόμη μέθοδος για το διαμοιρασμό ευρυζωνικών ασύρματων δεδομένων πάνω από μεγάλες γεωγραφικές περιοχές.πρόκειται για μια υπηρεσία μητροπολιτικού δικτύου που χρησιμοποιεί έναν ή περισσότερους σταθμούς βάσης, καθένας από τους οποίους μπορεί να παρέχει υπηρεσίες σε χρήστες, σε μια εμβέλεια έως 30 μιλίων. Το της IEEE εμπεριέχει όλες εκείνες τις τεχνικές λεπτομέρειες που αφορούν τα δίκτυα WiMAX. Κάθε πάροχος της υπηρεσίας WiMAX χρησιμοποιεί μια ή περισσοτερες αδειοδοτημένες συχνότητες λειτουργίας κάπου μεταξύ των 2 GHz και των 11 GHz. Ένα WiMAX link μπορεί να μεταφέρει δεδομένα σε ρυθμό μέχρι και 70 Mbps, ωστόσο οι περισσότερες εμπορικές WiMAX υπηρεσίες, είναι σημαντικά πιο αργές από αυτό το ρυθμό. Επίσης καθώς ολοένα και περισσότεροι χρήστες μοιράζονται ένα μοναδικό πυλώνα και σταθμό βασης WiMAX, τόσο πιο πολύ εξασθενεί η ποιότητα του σήματος που λαμβάνουν ορισμένοι απ αυτούς. Σε αντίθεση με τις κυψελοειδείς ευρυζωνικές ασύρματες υπηρεσίες δεδομένων που λειτουργούν πάνω στα υπάρχοντα τηλεφωνικά δίκτυα, το WiMAX είναι ένα ξεχωριστό ραδιο-σύστημα, το οποίο είναι σχεδιασμένο είτε να συμπληρώνει είτε να αντικαθιστά τα υπάρχοντα συστήματα διαμοιρασμού ευρυζωνικού Internet. Πρακτικά, το WiMAX, ανταγωνίζεται τόσο τις ασύρματες υπηρεσίες 3G όσο και τους παρόχους υπηρεσιών Internet που διανέμουν τη πρόσβαση στο Internet, σε σταθερές θέσεις μέσω των τηλεφωνικών γραμμών και των ωφελειών της καλωδιακής τηλεόρασης. Οι οικιακοί και οι επιχειρηματικοί συνδρομητές μιας WiMAX υπηρεσίας, χρησιμοποιούν είτε ένα ενσύρματο LAN είτε το Wi-Fi, για να διανέμουν το δίκτυο εντός των κτηρίων τους. 13

30 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Εικόνα 1.7: Τυπικό δίκτυο WiMAX.Το WiMAX παρέχει σύνδεση Internet «τελευταίου μιλίου» σε σπίτια και επιχειρήσεις. Bluetooth Το Bluetooth είναι ένας άλλος τύπος της τεχνολογίας των ασυρμάτων δικτύων, το οποίο χρησιμοποιεί ραδιο-σήματα για να αντικαταστήσει τα καλώδια που συνδέουν έναν υπολογιστή ή ένα κινητό τηλέφωνο με περιφερειακές συσκευές. Το Bluetooth χρησιμοποιείται επίσης για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ ενός υπολογιστή και ενός κινητού τηλεφώνου, smartphone ή οποιασδήποτε άλλης συσκευής PDA. Τ εχνικά, πρόκειται για ένα FHSS σύστημα, το οποίο χωρίζει το σήμα σε πολύ μικρά κομμάτια, κινείται ανάμεσα σε 79 διαφοερτικές συχνότητες 1600 φορές το δευτερόλεπτο στην ίδια μη αδειοδοτημένη ζώνη συχνοτήτων των 2,4 GHz όπως το b και το g της τεχνολογίας του Wi-Fi. Το Bluetooth δεν προσφέρεται πρακτικά, για τη σύνδεση ενός υπολογιστή με το Internet, διότι είναι αργό (ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων είναι περίπου 700 kbps μόνο) και διαθέτει μια πολύ περιορισμένη εμβέλεια σήματος (συχνά γύρω στα 10 μέτρα ή λιγότερο). Για να αποφύγουν τη παρεμβολή μεταξύ των σημάτων του Bluetooth και του Wi-Fi, πολλοί υπολογιστές που χρησιμοποιούν και τις δύο τεχνολογίες, συντονίζουν τις δύο αυτές υπηρεσίες. Όταν η μια είναι ενεργή, ενημερώνει την άλλη και έτσι η ενεργή υπηρεσία παίρνει προτεραιότητα. Η συντονισμένη λειτουργία όπως περιγράφηκε, είναι ελαφρώς πιο αργή από το να λειτουργεί κάθε υπηρεσία μόνη της, αλλά η διαφορά δεν είναι αμελητέα. 14

31 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή στις Ασύρματες Επικοινωνίες Εικόνα 1.8: Η εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών Συμπεράσματα Από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, συντελείται μια σπουδαία τεχνολογική πρόοδος γύρω από τον κόσμο των ασύρματων επικοινωνιών. Τα ασύρματα δίκτυα, παίζουν πρωταγωνιστικό ρόλο στις ζωές των ανθρώπων και αναμφίβολα οι επικοινωνίες, το εμπόριο, η ιατρική και άλλοι σπουδαίοι τομείς βασίζουν την εξέλιξη τους στην εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών. Τα κυψελοειδή συστήματα, τα συστήματα 3 ης γενιάς, η ευρυζωνικότητα και η ασύρματη πρόσβαση στο Internet, προσελκύουν εδώ και μερικά χρόνια εκατομμύρια χρήστες και συνεχώς καινούριες ιδέες έρχονται στο προσκήνιο. Έννοιες όπως WiMAX, WiFi και Bluetooth φαίνονται τώρα κοινές στον ευρύ πληθυσμό και η εξοικίωση με τον τομέα αυτό της τεχνλογίας, πρέπει να θεωρείται δεδομένη. Στόχος είναι η ακόμη μεγαλύτερη ενσωμάτωση πληθυσμού στη χρήση αυτών των τεχνολογιών και η παραγωγή νέων, οι οποίες θα βελτιώνουν συνεχώς τις ζωές των πολιτών. 15

32 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Εισαγωγή Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Συμπεράσματα Υπάρχουν πολλές προδιαγραφές και αρκετα πρότυπα γύρω από τα ασύρματα δίκτυα, που μπορεί να επιλέξει κανείς, όταν αναπτύσσει αντίστοιχα προϊόντα ή όταν ενσωματώνει τέτοιες τεχνολογίες σε πολύπλοκα πληροφοριακά συστήματα. Στο παρακάτω κεφάλαιο περιγράφεται το πρότυπο της IEEE καθώς είναι αυτό που αναμένεται να συνεχίσει να κυριαρχεί ανάμεσα στα άλλα πρότυπα, την υποστήριξη των εφαρμογών των ασυρμάτων δικτύων. Παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική και η δομή του προτύπου ενώ αναλύονται εκτενώς το φυσικό του επίπεδο και το επίπεδο προσπέλασης μέσου. 2.1 Η αχιτεκτονική του προτύπου 802 της ΙΕΕΕ Η αρχιτεκτονική ενός LAN, περιγράφεται ακριβέστερα όταν ορίζονται στοίβες πρωτοκόλλων που οργανώνουν τις βασικές λειτουργίες του LAN. Στη συνέχεια ακολουθεί η περιγραφή της πρωτυποποιημένης αρχιτεκτονικής πρωτοκόλλων των LAN επικεντρώνοντας στο φυσικό επίπεδο και το επίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσου (MAC) Η αρχιτεκτονική των πρωτοκόλλων Έχουν οριστεί πρωτόκολλα ειδικά για θέματα διευθυνσιοδότησης της μετάδοσης για LAN και MAN (metropolitan area network), που σχετίζονται με τη μετάδοση μπλόκ δεδομένων πάνω στο δίκτυο. Με ορολογία OSI, τα υψηλότερου επιπέδου πρωτόκολλα (επίπεδο 3 ή 4 και πάνω) είναι ανεξάρτητα από την αρχιτεκτονική του δικτύου και είναι εφαρμόσιμα σε LAN, MAN και WAN. Ωστόσο, η συζήτηση για πρωτόκολλα LAN έχει κυρίως να κάνει με τα χαμηλότερα επίπεδα του μοντέλου του OSI. Η εικόνα 2.1 συσχετίζει τα πρωτόκολλα των LAN με την αρχιτεκτονική OSI. Αυτή η αρχιτεκτονική αναπτύχθηκε από την επιτροπή της IEEΕ για το 802 και υιοθετήθηκε από όλους τους οργανισμούς που εργάζονταν για το προσδιορισμό και τη περιγραφή των προτύπων των LAN. Γενικά, αναφέρεται ως το μοντέλο αναφοράς 802 της IEEE. Δουλεύοντας από τη βάση και ανεβαίνοντας υψηλότερα, το χαμηλότερο επίπεδο του μοντέλου αναφοράς 802 της IEEE αντιστοιχεί στο φυσικό επίπεδο του μοντέλου του OSI και περιλαμβάνει τέτοιες λειτουργίες, όπως Κωδικοποίηση/αποκωδικοποίηση σημάτων (π.χ PSK, QAM κτλ) Πρόλογη δημιουργία/απομάκρυνση (για συγχρονισμό) Μετάδοση Bit/αποδοχή 16

33 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Επιπλέον, το φυσικό επίπεδο του 802 μοντέλου περιλαμβάνει το προσδιορισμό του μέσου μετάδοσης και τη τοπολογία. Γενικά, αυτό θεωρείται «κάτω» και από το κατώτατο επίπεδο του μοντέλου του OSI. Ωστόσο, η επιλογή του μέσου μετάδοσης και η τοπολογία είναι βασική στο σχεδιασμό ενός LΑΝ και έτσι περιλαμβάνεται ο προσδιορισμός του μέσου. Για κάποια από τα πρότυπα της οικογένειας προτύπων 802, το φυσικό επίπεδο, διαιρείται περαιτέρω σε υποεπίπεδα.στη περίπτωση του , διακρίνονται δυο υποεπίπεδα: Διαδικασία Σύγκλισης Φυσικού Επιπέδου (Physical Layer Convergence Procedure- PLCP): Προσδιορίζει μια μέθοδο σχεδιασμού των μονάδων δεδομένων του επιπέδου MAC του πρωτοκόλλου (MAC layer protocol data units-mpdus) σε μια μορφή πλαισίου κατάλληλη για αποστολή και λήψη δεδομένων του χρήστη και διαχείρησης πληροφορίας μεταξύ δύο ή περισσότερων σταθμών χρησιμοποιώντας το συσχετισμένο υποεπίπεδο PMD. Εξαρτημένο Υποεπίπεδο Φυσικού Μέσου (Physical Medium Dependent Sublayer- PMD): Προσδιορίζει τα χρακτηριστικά και τη μέθοδο μετάδοσης και λήψης δεδομένων χρήστη, διαμέσω ενός ασύρματου μέσου μεταξύ δύο ή περισσότερων σταθμών. Eικόνα 2.1: Τα επίπεδα του πρωτοκόλλου 802 της IEEE σε σύγκριση με το μοντέλο του OSI 17

34 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Πάνω από το φυσικό επίπεδο βρίσκονται οι λειτουργίες που σχετίζονται με την παροχή υπηρεσιών στους χρήστες LAN. Αυτές περιλαμβάνουν, a) Στη διαδικασία μετάδοσης, συγκεντρώνουν τα δεδομένα σε ένα πλαίσιο με πεδία διεύθυνσης και ανίχνευσης σφάλματος b) Στη διαδικασία λήψης, αποσυναρμολογούν το πλαίσιο και εκτελούν αναγνώριση διεύθυνσης και ανίχνευση σφάλματος. c) Ελέγχουν την πρόσβαση στο μέσο μετάδοσης του LAN. d) Παρέχουν μια διεπαφή σε υψηλότερα επίπεδα και εκτελούν έλεγχο ροής και σφαλμάτων. Αυτές είναι λειτουργίες που τυπικά σχετίζονται με το επίπεδο 2 του μοντέλου του OSI. Το σύνολο των λειτουργιών (d) ομαδοποιούνται σε ένα επίπεδο ελέγχου λογικού συνδέσμου (logical link control- LLC). Οι λειτουργίες (a), (b), (c) αντιμετωπίζονται σα ξεχωριστό επίπεδο που ονομάζεται επίπεδο ελέγχου προσπέλασης μέσου (medium access control-mac). Ο διαχωρισμός γίνεται για τους παρακάτω λόγους: Το λογισμικό που απαιτείται για τη διαχείριση της πρόσβασης σε ένα μέσο κοινόχρηστης πρόσβασης δε βρίσκεται στο παραδοσιακό επίπεδο 2 του ελέγχου μετάδοσης δεδομένων. Για το ίδιο LLC,μπορούν να παρασχεθούν αρκετές επιλογές MAC. Εικόνα 2.2: Η σχέση μεταξύ των επιπέδων του 802 της IEEE 18

35 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Η εικόνα 2.2 παρουσιάζει τη σχέση μεταξύ των επιπέδων της αρχιτεκτονικής. Δεδομένα υψηλότερου επιπέδου προωθούνται χαμηλότερα στο LLC, το οποίο επισυνάπτει πληροφορία ελέγχου σαν επικεφαλίδα, δημιουργώντας μια μονάδα δεδομένων πρωτοκόλλου LLC (Protocol data unit-pdu). Αυτή η πληροφορία ελέγχου χρησιμοποιείται στη λειτουργία του πρωτοκόλλου LLC. Ολόκληρο το LLC PDU προωθείται εν συνεχεία χαμηλότερα, στο επίπεδο MAC, το οποίο επισυνάπτει πληροφορία ελέγχου στο μπροστινό και πίσω μέρος του πακέτου, σχηματίζοντας ένα πλάισιο MAC. Πάλι η πληροφορία ελέγχου στο πλαίσιο είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του πρωτοκόλλου MAC. Η εικόνα παρουσιάζει επίσης τη χρήση του TCP/IP και ένα επίπεδο εφαρμογών πάνω από τα πρωτόκολλα του LAN Η μορφή του πλαισίου MAC Το επίπεδο MAC λαμβάνει ένα μπλόκ δεδομένων από το LLC επίπεδο και είναι υπεύθυνο για την εκτέλεση λειτουργιών που σχετίζονται με τη προσπέλασγ στο μέσο και τη μετάδοση δεδομένων. Όπως και με άλλα επίπεδα πρωτοκόλλου, το MAC εφαρμόζει αυτές τις λειτουργίες κάνοντας χρήση μιας μονάδας δεδομένων πρωτοκόλλου στο επίπεδο του. Σε αυτή την περίπτωση η PDU αναφέρεται σαν πλαίσιο MAC. Η ακριβής μορφή ενός MAC πλαισίου διαφέρει κάπως από τα διάφορα πρωτόκολλα MAC που χρησιμοποιούνται. Γενικά, όλα τα πλαίσια MAC έχουν μια μορφή παρόμοια με αυτήν της εικόνας 2.3. Τα πεδία αυτού του πλαισίου είναι όπως παρακάτω: MAC control: Αυτό το πεδίο περιλαμβάνει οποιαδήποτε πληροφορία ελέγχου πρωτοκόλλου η οποία είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του πρωτοκόλλου MAC. Destination MAC address: Ο προσδιορισμός του φυσικού σημείου συνδεσης στο LAN για αυτό το πλαίσιο. Εικόνα 2.3: Η γενική μορφή ενός πλαισίου MAC Source MAC address: Η πηγή του φυσικού σημείου σύνδεσης στο LAN για αυτό το πλαίσιο. DATA: Το κυρίως σώμα του πλαισίου MAC.Αυτό μπορεί να αποτελείται από δεδομένα LLC από το αμέσως υψηλότερο επίπεδο ή από πληροφορία ελέγχου σχετική με τη λειτουργία του πρωτοκόλλου MAC. CRC: Ο κυκλικός έλεγχος πλεονασμού (γνωστό και ως πεδίο ακολουθίας ελέγχου του πλαισίου-frame check sequence-fcs), ο οποίος είναι ουσιαστικά ένας κώδικας ανίχνευσης σφαλμάτων. Στα περισσότερα πρωτόκολλα ελέγχου δεδομένων, η οντότητα του πρωτοκόλλου ελέγχου δεδομένων είναι υπεύθυνη όχι μόνο για την ανίχνευση σφαλμάτων χρησιμοποιώντας το CRC αλλά και για την ανάκτηση εξαιτίας αυτών των σφαλμάτων, επαναμεταδίδοντας τα κατεστραμμένα πλαίσία. 19

36 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Στην αρχιτεκτονική των πρωτοκόλλων του LAN, αυτές οι δύο λειτουργίες διαμοιράζονται μεταξύ των επιπέδων MAC και LLC. Το επίπεδο MAC είναι υπεύθυνο για την ανίχνευση λαθών και την απόρριψη οποιωνδήποτε πλαισίων περιέχουν σφάλμα. Το επίπεδο LLC προαιρετικά καταγράφει ποια πλαίσια έχουν ληφθεί επιτυχώς και αναλαμβάνει να επαναμεταδόσει τα ανεπιτυχή πλαίσια. 2.2 Η αρχιτεκτονική του To 1990, η επιτροπή της IEEE για το πρότυπο 802 δημιούργησε μια κανούργια ομάδα εργασίας, την IEEE , αφιερωμένη ακριβώς στα ασύρματα δίκτυα, έχοντας ως σκοπό να αναπτύξει ένα πρωτόκολλο MAC και τις προδιαγραφές φυσικού μέσου. Το αρχικό ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός LAN που θα λειτουργούσε στη ζώνη ISM (βιομηχανική, επιστημονική, ιατρική). Από την εποχή εκείνη, έχουν εξελιχθεί αρκετές εκδόσεις του προτύπου , οι οποίες χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές που θα αναλυθούν επι του παρόντος κεφαλαίου. Για παράδειγμα, το αρχικό πρότυπο (1997) όριζε ένα ασύρματο LAN που «έτρεχε» στα 1 ή 2 Mbps μεταπηδώντας ανάμεσα σε συχνότητες ή απλώνοντας το σήμα στο επιτρεπόμενο φάσμα. Σχεδόν άμεσα, αποδείχτηκε πως το πρότυπο αυτό ήταν αρκετά αργό και έτσι ξεκίνησαν οι εργασίες για την δημιουργία ταχύτερων εκδόσεων. Η απαίτηση για WLANs σε διαφορετικές συχνότητες και με διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, έχει πλεον εκτοξευθεί. Η αρχιτεκτονική του προτύπου περιλαμβάνει τέσσερα βασικα φυσικά στοιχεία, τα οποία είναι, Το Σύστημα Διανομής (Distribution System) : Όταν κάμποσα σημεια πρόσβασης (access points) συνδέονται για να σχηματίσουν μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή κάλυψης, είναι αναγκαίο να επικοινωνούν μεταξύ τους με σκοπό τη παρακολούθηση των κινήσεων των κινητών σταθμών. Το σύστημα διανομής είναι το λογικό στοιχείο του που χρησιμοποιείται για την προώθηση των πλαισίων στο προορισμό τους. Πρέπει να σημειωθεί εδώ ότι το δεν καθορίζει κάποια ιδαίτερη ή ξεχωριστη τεχνολογια στο σύστημα διανομής. Στα περισσότερα εμπορικά προιόντα, το σύστημα διανομής εφαρμόζεται σαν συνδιασμός μιας μηχανής γεφύρωσης και ενός μέσου συστήματος διανομής, το οποίο είναι το δίκτυο κορμού που χρησιμοποείται για να μεταδίδει πλαίσια μεταξύ των access points συχνά δε, αποκαλείται απλώς, δίκτυο κορμού. Σχεδόν σε όλα τα επιτυχημενα εμπορικα προιοντα, το ρόλο του δικτύου κορμού αναλαμβάνει η τεχνολογια Ethernet. Σημεία Πρόσβασης (Access Points) : Τα πλαίσια σε ένα δίκτυο , πρέπει να μετατραπούν σε μια άλλα μορφη προτού διαμοιραστούν στον υπόλοιπο κόσμο. Οι συσκευές που αναλαμβάνουν αυτή τη διαδικασία ονομάζονται Access Points και ουσιαστικά εκτελούν τη λειτουργία «γεφύρωσης» ανάμεσα σε ενσυρματες και ασύρματες συσκευές (τα Access Points εκτελούν και μια σειρά από επιλέον λειτουργίες αλλά η προηγούμενη είναι μακράν η πιο σημαντική). 20

37 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Το Ασύρματο Μέσο (Wireless Medium) : Για τη μετακίνηση των πλαισίων από σταθμό σε σταθμό, το πρότυπο χρησιμοποιεί ένα ασύρματο μέσο. Ορίζονται κάμποσα διαφορετικά φυσικά επίπεδα η αρχιτεκτονική επιτρέπει να αναπτυχθούν διαφορετικά φυσικά επίπεδα ώστε να υποστηριχθεί το MAC. Αρχικά, προτυποποιήθηκαν δύο ραδιοσυχνοτικά (RF) φυσικά επίπεδα και ένα υπέρυθρο, ωστόσο τα RF στρώματα αποδείχθηκαν μακράν τα πιο δημοφιλή. Σταθμοι (Stations): Τα δίκτυα δημιουργούνται με σκοπό τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των σταθμών. Οι σταθμοί γενικά είναι υπολογιστικές συσκευές με διεπαφές ασύρματου δικτύου. Τυπικά παραδείγματα σταθμών βάσης είναι τα λαπτοπ (τροφοδοτούμενα με μπαταρίες) ή οι υπολογιστές χειρός. Εικονα 2.4: Τα βασικά στοιχεια ενός LAN 2.3 Τύποι δικτύων Το θεμελειώδες δομικό στοιχείο της αρχιτεκτονικής είναι το βασικό σύνολο υπηρεσιών (Basic Service Set, BSS), το οποίο είναι απλά ένα σύνολο από έναν ή περισσότερους ασύρματους σταθμούς και ένα κεντρικό σταθμό βάσης, γνωστό και σαν σημείο πρόσβασης (Access Point,AP) όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Οι επικοινωνίες λαμβάνουν χώρα σε μια ασαφή κατά κάποιο τρόπο περιοχή, που ονομάζεται βασική περιοχη υπηρεσιών (Basic Service Area), καθοριζόμενη από τα χαρακτηρηριστικά διάδοσης του ασύρματου μέσου. Όταν ενας σταθμός βρίσκεται εντός της βασικής 21

38 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο περιοχής υπηρεσιών, τότε δύναται να επικοινωνεί με τα υπόλοιπα μέλη του BSS. Εδώ ακριβώς πρέπει να κάνουμε μια βασική διάκριση. Το προτεινόμενο πρότυπο έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί με δυο διαφορετικούς τρόπους ο πρώτος είναι με παρουσία ενός σταθμού βάσης (Infrastructure Νetworks) και ο δεύτερος με απουσία αυτού (Ανεξάρτητα Δίκτυα-Independent Νetworks) Aνεξάρτητα δίκτυα (Independent Networks) Σε ένα δίκτυο όπου υφίσταται απουσία σταθμού βάσης, δηλαδή είνα ανεξάρτητο αυτού (Independent BSS -IBSS), όλοι οι σταθμοί επικοινωνούν μεταξύ τους και μεταδίδουν απευθείας ο ένας στον άλλον, κατά συνέπεια πρέπει να βρίσκονται εντός της αντίστοιχης εμβέλειας της απευθείας επικοινωνίας. Το μικρότερο υλοποιήσιμο δίκτυο είναι ένα IBSS δίκτυο με δύο σταθμούς, συνήθως όμως τα IBSS δίκτυα αποτελούνται από ένα μικρό αριθμό σταθμών που στήνονται για συγκεκριμένο σκοπό και για μικρή χρονική περίοδο. Μια πολύ κλασσική χρήση είναι η δημιουργία ενός βραχύβιου τέτοιου δικτύου, το οποίο έχει ως στόχο την υποστήριξη μιας μοναδικής «συνομιλίας» σε ένα συνεδριακο χώρο ή σε ένα γραφείο συσκέψεων. Με την εκκίνηση της συνομιλίας, οι συμμετέχοντες δημιουργούν ένα IBSS δίκτυο, για την ανταλλαγή δεδομένων, ενώ κατά το κλείσιμο της συνομιλίας το δίκτυο διαλύεται. Λόγω της μικρής διάρκειας τους, του μικρού μεγέθους τους και του πολύ συγκεκριμένου σκοπού που εξυπηρετούν κάθε φορά, τα IBSS δίκτυα είναι γνωστά και ως ad hoc BSSs ή ad hoc δίκτυα. Εικόνα 2.5: Δικτύωση ad hoc 22

39 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Δίκτυα υποδομής (Infrastructure Networks) Τα δίκτυα υποδομής διακρίνονται από το προηγούμενο τύπο εξαιτίας της χρήσης ενός access point. Τα access points χρησιμοποιούνται για όλες τις επικοινωνίες στα δίκτυα υποδομής, συμπεριλαμβανομένης και της επικοινωνίας μεταξύ των κινητών κόμβων στην ίδια περιοχή υπηρεσιών. Για την επικοινωνία ενός κινητού σταθμού με έναν δεύτερο κινητό σταθμό, πρέπει να ακολουθηθούν δύο βήματα. Πρώτα ο αρχικός κινητός σταθμός μεταφέρει το πλαίσιο στο access point και έπειτα το access point μεταφέρει το πλαίσιο στο τελικο προορισμό, δηλαδή το δεύτερο σταθμό. Καθώς όλες οι επικοινωνίες διεκπεραιώνονται μέσω ενός access point, η βασική περιοχή υπηρεσιών που αντιστοιχεί σε ένα δομημένο BSS, καθορίζεται από τα σημεία στα οποία μπορεί να επιτευχθεί μετάδοση από το access point. Παρόλο που η multihop μετάδοση χρείαζεται περισσότερη χωρητικότητα μετάδοσης σε σχέση με την απευθείας μετάδοση πλαισίου από τον αποστολέα στον αποδέκτη, έχει δύο κύρια πλεονεκτήματα: Ένα infrastructure BSS καθορίζεται από την απόσταση από το access point. Ασφαλώς απαιτείται όλοι οι κινητοί σταθμοί να βρίσκονται εντός της εμβέλειας του access point, ωστόσο δε τείθεται κανένας περιορισμός στη απόσταση μεταξύ των ίδιων των κινητών σταθμών. Με το να επιτρέπεται η απευθείας επικοινωνία μεταξύ των σταθμών, εξοικονομείται χωρητικότητα μετάδοσης, στον αντιπόδα όμως του κόστους της αυξημενένης πολυπλοκότητας φυσικού επιπέδου, καθώς οι κινητοί σταθμοί θα πρέπει να διατηρούν γειτονικές επαφές με όλους τους υπολοιπους σταθμούς εντός της περιοχής υπηρεσιων. Τα access points στα δίκτυα υποδομής είναι σε θέση να συνεργαστούν με τους σταθμούς, επιδιώκοντας την εξοικονόμηση ενέργειας. Μπορούν να αντιλαμβάνονται πότε ένας σταθμός εισέρχεται σε κατάσταση εξοικονόμησης ενέργειας και να ενταμιεύουν αποθηκεύουν προσωρινά πλαίσια για αυτόν. Οι σταθμοί που τροφοδοτούνται με μπαταρίες μπορούν έτσι να απενεργοποιήσουν τον ασύρματο πομποδέκτη τους και να τον ενεργοποιήσουν ξανά για μεταδώσουν και να παραλάβουν αποθηκευμένα πλαίσια από το access point. Σε ένα δίκτυο υποδομής, οι σταθμοί πρέπει να συσχετιστούν με ένα access point ώστε να μπορούν να απόκτήσουν υπηρεσίες δικτύου. Συσχέτιση είναι η διαδικασία κατά την οποία ένας κινητός σταθμός συνδέεται με ένα δίκτυο. Έίναι ίδια σε λογική με τη διαδικασία του να συνδέει κανείς ένα καλώδιο δικτύου σε Ethernet και δεν είναι συμμετρική διαδικασία. Πάντα οι κινητοί σταθμοί εκκινούν τη παραπάνω διαδικασία, τονίζεται δε ότι τα access points έχουν την ευχέρια να αποδεχθούν ή να απορρίψουν τη πρόσβαση βασιζόμενα στα στοιχεία της αίτησης συσχέτισης. Επίσης, οι συσχετίσεις είναι αποκλειστικές όσο αφορά τους κινητούς σταθμούς ένας κινητός σταθμός μπορεί να συσχετιστεί μόνο με ένα access point. Το δε θέτει όρια στον αριθμό των κινητών σταθμών που μπορεί να εξυπηρετήσει ένα access point, ωστόσο άλλοι παράγοντες εφαρμογής, φυσικά μπορούν να θέσουν όρια σε αυτό τον αριθμό. Πρακτικά, η χαμηλή διεκπεραιωτική ικανότητα των ασυρμάτων δικτύων είναι πολύ περισσότερο πιθανόν να περιορίσει τον αριθμό των σταθμών που εξυπηρετούνται σε ένα ασύρματο δίκτυο. 23

40 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Εικόνα 2.6: Infrastructure network Επεκταμένες περιοχές υπηρεσιών (Extended Service Areas) Τα BSS έχουν τη ικανότητα να προσφέρουν κάλυψη σε μικρούς σχετικά χώρους όπως για παράδειγμα μικρά γραφεία και σπίτια, αδυνατούν παραταύτα να εξασφαλίσουν «δικτυακή» κάλυψη σε μεγαλύτερες περιοχές. Το επιτρέπει τη δημιουργία ασυρμάτων δικτύων, αυθαίρετα μεγάλου μεγέθους, μέσω της συζεύξεως BSS προς δημιουργία επεκταμένου συνόλου υπηρεσιών (Εxtended Service Set-ESS). Ένα ESS δημιουργείται συνδέοντας διαδοχικά BSSs με ένα δικτύου κορμού. Το δεν καθορίζει μια συγκεκριμένη τεχνολογία κορμού απαιτεί μονάχα το δίκτυο κορμού να παρέχει ένα καθορισμένο σύνολο υπηρεσιών. Εικονα 2.7: Επεκταμένο σύνολο υπηρεσιών (Extended Service Set) 24

41 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Στην εικόνα 2.7, το ESS είναι το αποτέλεσμα της ένωσης δύο BSS (με τη προυπόθεση ότι όλα τα access points ρυθμίζονται έτσι ώστε να είναι μέρος του ίδιου ESS). Στην πραγματικότητα, ο βαθμός επικάλυψης μεταξύ των BSS, είναι πολύ μεγαλύτερος σε σχέση με την επικάλυψη σην εικόνα 2.7, ενώ πρέπει να επισημάνουμε πως το η συνεχής κάλυψη εντός της επεκταμένης περιοχής υπηρεσιών είναι απόλυτα επιθυμητή και ζήτημα σπουδαίας σημασίας. Σταθμοί εντός του ίδιου ESS, μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, ακόμη και αν βρίσκονται σε διαφορετικές βασικές περιοχές υπηρεσιών όπως επίσης ακόμη και αν κινούνται μεταξύ διαφορετικών βασικών περιοχών υπηρεσιών. Για να επικοινωνούν μεταξύ τους οι σταθμοί ενός ESS, το μέσο πρέπει να δρά σαν σύνδεση μονού επιπέδου 2. Τα access points δρούν σα γέφυρες, συνεπώς η απευθείας επικοινωνία μεταξύ των σταθμών απαιτεί το δίκτυου κορμού να είναι επίσης μια σύνδεση επιπέδου 2. Οποιαδήποτε σύνδεση στο επίπεδο ζεύξης, είναι επαρκής. Αρκετά access points σε μια μοναδική περιοχή μπορούν να συνδεθούν σε ενά μοναδικό κόμβο ή μεταγωγέα ή μπορούν να χρησιμοποιήσουν εικονικά LAN αν η σύνδεση του επιπέδου ζεύξης πρέπει να εκτείνεται σε μια μεγάλη περιοχή. 2.4 Λειτουργίες του δικτύου Υπηρεσίες δικτύου Ένας τρόπος να χαρακτηριστεί μια δικτυακή τεχνολογία είναι να καθοριστούν οι υπηρεσίες που προσφέρει και να επιτρέπεται στους πωλητές τέτοιου δικτυακού εξοπλισμου να εφαρμόζουν αυτές τις υπηρεσίες με οποιονδήποτε τρόπο θεωρούν αυτοί επιθυμητό. Οι υπηρεσίες αυτές περιγράφονται ακολούθως: Διανομή (Distribution) Αυτή η υπηρεσία χρησιμοποείται από τους κινητούς σταθμούς σε ένα δίκτυο υποδομής κάθε φορά που αποστέλλουν δεδομένα. Μόλις το πλαίσιο γίνει αποδεκτό από το access point, αυτό χρησιμοποιεί το σύστημα διανομής ώστε να διανείμει το πλαίσιο στο προορισμό του. Κάθε επικοινωνία που χρησιμοιεί access point, διεκπεραιώνεται μέσω του συστήματος διανομής, συμπεριλαμβανομένων των επικοινωνιών μεταξύ δύο κινητών σταθμών τα οποία συσχετίζονται με το ίδιο access point. Ενοποίηση (Integration) Η ενοποίηση είναι μια υπηρεσία που παρέχεται από το σύστημα διανομής και επιτρέπει τη σύνδεση αυτού, με ένα δίκτυο που δεν είναι τύπου IEEE Όταν ένα πλαίσιο πρέπει να σταλεί μέσω ενός δικτύου που δεν είναι της μορφής και χρησιμοποιεί διαφορετική μέθοδο διευθυνσιοδότησης ή μορφή πλαισίων, η υπηρεσία αυτή διαχειρίζεται τη μετατροπή από τη μορφή στη μορφή που απαιτείται από το δίκτυο προορισμού. Η λειτουργία της ενοποίησης είναι συγκεκριμένη για το σύστημα διανομής, επομένως δεν καθορίζεται από το το

42 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Συσχέτιση (Association) Η διανομή των πλασίων στους κινητούς σταθμούς καθίσταται εφικτή επειδή οι κινητοί σταθμοί εγγράφονται/καταχωρουνται ή συσχετίζονται με τα access points. Το σύστημα διανομής μπορεί να χρησιμοποιήσει τις πληροφορίες εγγραφής για να αποφασίσει ποιο access point θα επιλεγεί για κάθε κινητό σταθμό. Οι σταθμοί που δεν είναι συσχετισμένοι, «δε βρίσκονται στο δίκτυο», όπως ακριβώς συμβαίνει και με τους σταθμούς που δεν είναι συνδεμένοι με καλώδια στο δίκτυο Ethernet. Το προσδιορίζει τη λειτουργία που πρέπει να παρασχεθεί από το σύστημα διανομής, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα συσχέτισης, αλλά δεν απαιτεί κάποια ξεχωριστή εφαρμογή. Επανασυσχέτιση (Reassociation) Όταν ένας κινητός σταθμός κινείται μεταξύ βασικών περιοχών υπηρεσιών εντός όμως μιας επεκταμένης περιοχής υπηρεσιών, πρέπει να εκτιμά την ισχύ του σήματος και πιθανόν να κρίνεται απαραίτητο να αλλάξει το access point με το οποίο είναι συσχετισμένος. Οι επανασυσχετίσεις εκκινούν από τους κινητούς σταθμούς όταν οι συνθήκες στάθμης του σήματος υποδεικύουν ότι θα ήταν ωφέλιμη μια διαφορετική συσχέτιση ποτέ οι επανασυσχετίσεις δεν εκκινούν από το access point. Αφού ολοκληρωθεί η επανασυσχέτιση, το σύστημα διανομής ενημερώνει τις «καταγραφές θέσης» ώστε να επαναπροσδιορίσει την προσβασιμότητα του κινητού σταθμού μέσω ενός διαφορετικού access point. Αποσυσχέτιση (Disassociation) Για να τερματιστεί μια υπάρχουσα συσχέτιση, οι σταθμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν την υπηρεσία αποσυσχέτισης. Όταν οι σταθμοί «επικαλούνται» την υπηρεσία αυτή, οποιαδήποτε δεδομένα κινητικότητας που είναι αποθηκευμένα στο σύστημα διανομής, διαγράφονται. Ο κινητός σταθμός θα πρέπει να χρησιμοποιήσει την υπηρεσία αυτή πριν απενεργοποιηθεί ή πριν φύγει από τη κυψέλη, ενώ ο σταθμός βάσης μπορεί επίσης να τη χρησιμοποιήσει πριν απενεργοποιηθεί για λόγους συντήρησης. Με την ολοκλήρωση της αποσυσχέτισης, ο σταθμός θεωρείται ότι δεν είναι πλέον συνδεδεμένος στο δίκτυο. Πιστοποίηση Ταυτότητας (Authentication) Επειδή οι ασύρματες μεταδόσεις είναι εύκολο να σταλούν ή να ληφθούν από μη εξουσιοδοτημένους σταθμούς, οι σταθμοί θα πρέπει να πιστοποιήσουν την ταυτότητα τους πριν τους επιτραπεί να στείλουν δεδομένα μέσω των AP, ωστόσο, η πιστοποίηση ταυτότητας πραγματοποιείται με διαφορετικούς τρόπους, ανάλογα με το σχέδιο ασφαλείας που έχει επιλεχθεί. Εάν το δίκτυο του είναι «ανοιχτό», μπορεί να το χρησιμοποιήσει οποιοσδήποτε. Το προτεινόμενο σχέδιο, το οποίο ονομάζεται WPA 2 (WiFi Protected Access 2), εφαρμόζει ασφάλεια όπως αυτή έχει προταθεί στο πρότυπο i. Με το WPA 2, το AP μπορεί να «μιλά» με τον εξυπηρετητή πιστοποίησης ταυτότητας, ο οποίος διαθέτει βάση δεδομένων με ονόματα χρηστών και κωδικούς και συνεπώς μπορεί να αποφασίσει αν ο σταθμός επιτρέπεται να έχει πρόσβαση στο δίκτυο. Ενναλακτικά, η διαδικασία της πιστοποίησης μπορει να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας «προμοιρασμένα κλειδιά». Μόλις ένας κινητός σταθμός συνδεθεί με το σταθμό βάσης (δηλαδή όταν γίνει αποδεκτός στη κυψέλη του), ο σταθμός βάσης του στέλνει ένα ειδικό πλαίσιο «πρόκληση» για να δεί αν ο κινητός σταθμός γνωρίζει το μυστικό κλειδί (συνθηματικό) που του έχει εκχωρηθεί. Ο σταθμός αποδεικνύει ότι γνώριζει το μυστικό κλειδί κρυπτογραφώντας το πλαίσιο πρόκλησης και 26

43 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο επιστρέφοντας το στο σταθμό βάσης. Αν το αποτέλεσμα είναι ορθό, ο κινητός σταθμός εγγράφεται πλήρως στη κυψέλη. Αυτή η ανταλλαγή γίνεται μετά τη συσχέτιση. Ακύρωση Πιστοποίησης Ταυτότητας (Deauthentication) Όταν ένας σταθμός που έχει ήδη πιστοποιηθεί θέλει να εγκαταλείψει το δίκτυο, ακυρώνεται η πιστοποίηση του. Μετά την ακύρωση της πιστοποίησης, ο σταθμός δε μπορεί πια να χρησιμοποιήσει το δίκτυο. Εμπιστευτικότητα (Confidentiality) Για να διατηρούνται εμπιστευτικές οι πληροφορίες που στέλνονται μέσω ενός ασύρματου LAN, θα πρέπει να κρυπτογραφούνται. Η υπηρεσία αυτή διαχειρίζεται την κρυπτογράφηση και την αποκρυπτογραφηση. Ο αλγόριθμος κρυπτογράφησης για το WPA 2 είναι βασισμένος στο AES (Advanced Encryption Standard), ένα πρότυπο που εγκρίθηκε το Τα κλειδιά που χρησιμοποιούνται για την κρυπτογράφηση αποφασίζονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πιστοποίησης ταυτότητας. Στην αρχική έκδοση του η εμπιστευτικότητα ονομαζόταν μυστικότητα (με την έννοια του απορρήτου-privacy), υπηρεσία που προσφερόταν από το απαξιωμένο πλέον πρωτόκολλο WEP (Wired Equivalent Privacy). Έχει αποδειχθεί ότι, το να σπάσει κανείς το WEP, είναι μια εύκολη υπόθεση χρησιμοποιώντας απλά τις δυνατότητες ενός οποιοδήποτε laptop. Πρακτικά η πρώτη παρουσίαση του σπασίματος του WEP έγινε από τον Adam Stubblefield σε μια καλοκαιρινή άσκηση της εταιρίας τηλεπικοινωνιών ΑΤ&Τα το 2002, όπου μέσα σε μια βδομάδα κατάφερε να πραγματοποιήσει επιτυχημένη επίθεση. Έκτοτε κυκλοφορούν ευρέως και χωρίς κόστος, λογισμικά που σπάνε τους κωδικούς του WEP πολύ εύκολα.το WEP δεν μπορούσε να προσφέρει κάτι παραπάνω από το ελάχιστο επίπεδο ασφάλειας αυτό που έκανε, ήταν απλώς να εμποδίζει την ανεπιθύμητη εμφανιση άλλων χρηστών στο δίκτυο. Παράδοση Δεδομένων (MAC Service Data Unit-MSDU Delivery) Εφόσον σκοπός του δικτύου είναι η μετάδοση δεδομένων, το είναι φυσικό να παρέχει μια μέθοδο μετάδοσης και λήψης δεδομένων. Επειδή το ακολουθεί το μοντέλο του Ethernet και η μετάδοση στο Ethernet δεν είναι εγγυημένα αξιόπιστη κατά 100%, τότε ούτε η μετάδοση στο είναι εγγυημένα αξιόπιστη. Τα ανώτερα επίπεδα θα πρέπει να ασχοληθούν με την ανίχνευση και την επιδιόρθωση των σφαλμάτων. Έλεγχος Ισχύος Μετάδοσης (Transmit Power Control-TPC) Το TPC είναι μια νέα υπηρεσία που καθορίστηκε από το h. Οι Ευρωπαϊκές προδιαγραφές για τη συχνότητα των 5 GHz απαιτούν οι σταθμοί να ελέγχουν το επίπεδο ισχύος των ραδιο-μεταδόσεων, με σκοπό την αποφυγή των παρεμβολών με άλλους χρήστες της ίδιας ζώνης συχνοτήτων. Ο έλεγχος ισχύος μετάδοσης βοηθά επίσης στην αποφυγή παρεμβολών με άλλα ασύρματα LAN. Ρυθμίσεις για μετάδοση σε υψηλό επίπεδο ισχύος είναι πολύ περισσότερο πιθανό να οδηγήσουν σε παρεμβολές με γειτονικά δίκτυα, συνεπώς θα πρέπει να ρυθμίζεται η ισχύς εκμπομπής σε ένα αποδεκτό επίπεδο ώστε να αποφεύγονται οι προηγούμενοι κίνδυνοι. 27

44 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Δυναμική Επιλογή Συχνότητας (Dynamic Frequency Selection-DFS) Κάποια συστήματα ραντάρ, λειτουργούν στη περιοχή συχνοτήτων των 5 GHz. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κάποιες ρυθμιστικές αρχές να έχουν την απαίτηση, τα ασύρματα δίκτυα να εντοπίζουν τα συστήματα ρανταρ και κατά συνέπεια να μετακινούνται σε συχνότητες που δε χρησιμοποιούνται από αυτά. Κάποιες άλλες ρυθμιστικές αρχές έχουν επίσης την απαίτηση ομοιόμορφης χρήσης της ζώνης των 5 GHz από τα ασύρματα LAN, συνεπώς τα δίκτυα θα πρέπει να έχουν τη δυνατότητα επανασχεδιασμού των καναλιών έτσι ώστε η χρήση να ισοσταθμίζεται. Υπηρεσία Υπηρεσία σταθμού ή διανομής; Περιγραφή Διανομή Διανομής Η υπηρεσία χρησιμοποιείται στην παράδοση πλαισίων για να αποφασιστεί η διεύθυνση στα δίκτυα υποδομής Ενοποίηση Διανομής Παράδοση πλαισίων σε ένα 802 LAN της IEEE, έξω από το ασύρματο δίκτυο Συσχέτιση Διανομής Χρησιμοποείται για την «εγγραφή» σε ένα AP που εξυπηρετεί σαν πύλη, ενός συγκεκριμένου κινητού σταθμού Επανασυσχέτιση Διανομής Χρησιμοποείται για την αλλαγή σε άλλο AP που εξυπηρετεί σαν πύλη, ενός συγκεκριμένου κινητού σταθμού Αποσυσχέτιση Διανομής Διαγράφει τον ασύρματο σταθμό από το δίκτυο Πιστοποίηση Ταυτότητας Σταθμού Πιστοποιεί τη ταυτότητα των κινητών σταθμών Ακύρωση Πιστοποίησης Ταυτότητας Σταθμού Χρησιμοποιείται για να τερματίσει την Πιστοποίηση Ταυτότητας και συνεπώς τη Συσχέτιση Εμπιστευτικότητα Σταθμού Παρέχει προστασία έναντι υποκλοπών Παράδοση Δεδομένων Έλεγχος Ισχύος Μετάδοσης (TPC) Δυναμική Επιλογή Συχνότητας (DFS) Σταθμού Σταθμού/Διαχείριση φάσματος Σταθμού/Διαχείριση φάσματος Διανέμει τα δεδομένα στον παραλήπτη Μειώνει την παρεμβολή ελαχιστοποιώντας την ισχύ εκπομπής του σταθμού Αποφεύγεται η παρεμβολή με τη λειτουργία των ραντάρ που χρησιμοποιούν τη ζώνη στα 5 GHz. Πίνακας 2.1 : Υπηρεσίες δικτύου 28

45 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Υπηρεσίες σταθμών Οι υπηρεσίες σταθμών είναι μέρος κάθε σταθμού που είναι σύμμορφος με το πρότυπο και πρέπει να περιλαμβάνονται σε οποιδήποτε προιόν υιοθετεί το πρότυπο. Οι υπηρεσίες σταθμών παρέχονται τόσο από τους κινητούς σταθμούς όσο και από την ασύρματη διεπαφή των access points. Oι σταθμοί παρέχουν υπηρεσίες διαμοιρασμού των πλαισίων, έτσι ώστε να πραγματοποιείται ο διαμοιρασμός των μηνυμάτων και για την υποστήριξη αυτού του έργου μπορούν να χρησιμοποιήσουν υπηρεσίες πιστοποίησης, με σκοπό την δημιουργία συσχετίσεων. Οι σταθμοί μπορούν επίσης να εκμεταλλευτούν τις λειτουργίες εμπιστευτικότητας για να προστατέψουν τα μηνύματα καθώς αυτά ταξιδεύουν στην ευάλωτη ασύρματη ζεύξη Υπηρεσίες συστήματος διανομής Οι υπηρεσίες του συστήματος διανομής συνδέουν τα access points με το ίδιο το σύστημα διανομής. Ο κύριος ρόλος των access points είναι να επεκτείνουν τις υπηρεσίες των διασυνδεδεμένων δικτύων στα ασύρματα δίκτυα.αυτό επιτυγχάνεται παρέχοντας τις υπηρεσίες διανομής και ενοποίησης στη πλευρά των ασυρμάτων δικτύων. Η διαχείριση των συχετίσεων των κινητών σταθμών είναι ο άλλος μεγάλος ρόλος του συστήματος διανομής. Για την διατήρηση των δεδομένων των συσχετίσεων και των πληροφοριών θέσης των σταθμών, το σύστημα διανομής παρέχει τις υπηρεσίες συσχέτισης, αποσυσχέτισης και επανασυσχέτισης Εμπιστευτικότητα και έλεγχος πρόσβασης Η εμπιστευτικότητα και ο έλεγχος πρόσβασης είναι συνυφασμένες υπηρεσίες. Εκτός από το απόρρητο των δεδομέτων κατά τη μετάδοση, η υπηρεσία της εμπιστευτικότητας εξασφαλίζει και την ακεραιότητα του περιεχομένου των πλαισίων. Η ακεραιότητα και το απόρρητο βασίζονται εξίσου σε κρυπογράφηση με κοινόχρηστα κλειδιά, συνεπώς η υπηρεσία της εμπιστευτικότητας εξαρτάται απαραίτητα από άλλες υπηρεσίες ώστε να παρέχει πιστοποίηση και διαχείρηση κλειδιού. ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΚΛΕΙΔΙΟΥ (Authentication and key management AKM) Η διαδικασία της κρυπτογράφης δεν έχει καμία αξία αν δε καταφέρνει να εμποδίσει τους μη πιστοποιημένους χρήστες να συνδεθούν στο δίκτυο. Βασίζεται στη διαχείρηση κλειδιού και στην υπηρεσία της πιστοποίησης για τη δημιουργία ταυτότητας του χρήστη και κλειδιών κρυπτογράφησης. Η πιστοποίση που αναφέρθηκε, μπορεί να επιτευχθεί μέσω ενός εξωτερικού πρωτοκόλλου όπως για παράδειγμα το 802.1X ή με προμοιρασμένα κλειδιά. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΗΣΗΣ (Cryptographic algorithms) Τα πλαίσια μπορούν να προστατεύονται με ένα κλασσικό WEP αλγόριθμο, χρησιμοποιώντας μυστικά κλειδιά των 40 ή 140 bit, το πρωτόκολλο ακεραιότητας προσωρινού κλειδιού (Temporal Key Integrity Protocol -TKIP) ή το πρωτόκολλο Counter Mode CBC-MAC (CCMP). 29

46 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο ΓΝΗΣΙΟΤΗΤΑ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗΣ (Origin authenticity) Το TKIP και το CCMP επιτρέπουν στο παραλήπτη να επικυρώνει τη διεύθυνση MAC του αποστολέα με σκοπό την αποτροπή spoofing επιθέσεων. Η προστασία που προσφέρει η γνησιότητα προέλευσης είναι διαθέσιμη μόνο για δεδομένα τύπου unicast (δηλαδή στη μετάδοση δεδομένων, η αποστολή πλαισίων γίνεται από έναν αποστολέα σε ένα μόνο παραλήπτη). ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΕΠΑΝΑΛΗΨΗΣ (Replay detection) Το TKIP και το CCMP προσφέρουν προστασία απέναντι στις επαναλαμβανόμενες επιθέσεις ενσωματώνοντας έναν «μετρητή ακολουθίας» που ενημερώνεται κατά τη λήψη. Πλαίσια, τα οποία θεωρούνται αρκετά «παλιά» για να επικυρωθούν, απλά απορρίπτονται. ΕΞΩΤΕΡΙΚΑ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (External protocols and systems) Η υπηρεσία της εμπιστευτικότητας, εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό από εξωτερικά πρωτόκολλα, για να λειτουργήσει. Η διαχείριση κλειδιού, παρέχεται από το 802.1X, το οποίο σε συνδιασμό με το επεκτάσιμο πρωτόκολλο πιστοποίησης (Extensible Authentication Protocol-EAP), μεταφέρουν τα δεδομένα της πιστοποιήσης. Το δε θέτει περιορισμούς στα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται, ωστόσο οι πιο συνηθισμένες επιλογές είναι το EAP όσο αφορά στη πιστοποίηση και το RADIUS (Remote Authentication Dial In User Service) για την διεπαφή με τον εξυπηρετητή πιστοποίησης Υπηρεσίες διαχείρισης φάσματος Οι υπηρεσίες διαχείρισης φάσματος, είναι ένα υποσύνολο των υπηρεσιών των σταθμών και είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να επιτρέπουν στο ασύρματο δίκτυο να ανταποκρίνεται στις εκάστοτε συνθήκες και να αλλάζει δυναμικά τις ραδιό-ρυθμίσεις του. Δυο υπηρεσίες καθορίστηκαν στο h με σκοπό την εναρμόνηση με τις ρυθμιστικές απαιτήσεις. Η πρώτη υπηρεσία, ο έλεγχος ισχύος εκπομπής (transmit power control-tpc), μπορεί να προσαρμόσει ρυθμίσει δυναμικά την ισχύ εκπομπής ενός σταθμού. Τα access points θα έχουν την ικανότητα να χρησιμοποιούν λειτουργίες TPC ώστε να «γνωστοποιούν» τη μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ και να απορρίπτουν έτσι συσχετίσεις από χρήστες που δεν υπακούουν στις τοπικές απαιτήσεις ραδιοσυχνοτήτων. Οι πελάτες μπορούν να χρησιμοποιήσουν TPC λειτουργίες, για να ρυθμίσουν την ισχύ σε ένα επίπεδο «οριακά σωστό» για να συνδεθούν με τα access points.τα ψηφιακά κυψελοειδή συστήματα έχουν επίσης ένα παρόμοιο χαρακτηριστικό ώστε να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας στα κινητά τηλέφωνα. Η μειωμένη ισχύς εκπομπής θα έχει και αυτή κάποιο όφελος στο ζήτημα της αύξησης του χρόνου ζωής της μπαταρίας αν και το μέγεθος της βελτίωσης θα εξαρτάται στο πόσο πολύ μπορεί να μειωθεί η ισχύς εκπομπής σε σχέση με αυτή που, ούτως ή άλλως, θα χρησιμοποιούσε ο χρήστης. Η δεύτερη υπηρεσία, η δυναμική επιλογή συχνότητας (DFS), αναπτύχθηκε κυρίως, όπως αναφέρθηκε, για την αποφυγή παρεμβολών με κάποια συστήματα ραντάρ στη Ευρώπη, τα οποία λειτουργούσαν στα 5 GHz. Παρόλο που αρχικά αναπτύχθηκε για την ικανοποίηση των ευρωπαικών 30

47 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο απαιτήσεων, στη συνέχεια οι βασικές αρχές της υπηρεσίας υιοθετήθηκαν και από άλλες ρυθμιστικές αρχές, όπως για παράδειγμα στις Ηνωμένες Πολιτείες, όπου η DFS έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην απόφαση για διεύρυνση του φάσματος στη ζώνη των 5 GHz το Η DFS περιλαμβάνει ένα τρόπο βάσει του οποίου το access point να «προκαλέσει ησυχία» στο κανάλι έτσι ώστε να μπορεί να ερευνήσει για ύπαρξη ραντάρ χωρίς παρεμβολές, ωστόσο το πιο σημαντικό κομμάτι της DFS είναι ο τρόπος με τον οποίο μπορεί να επανεκχωρήσει το κανάλι εν κινήσει. Οι πελάτες πληροφορούνται το νέο κανάλι ακριβώς πριν το κανάλι αλλάξει Υποστήριξη κινητικότητας Η κινητικότητα είναι το βασικό κίνητρο για την ανάπτυξη ενός δικτύου Οι σταθμοί μπορούν να μετακινούνται καθώς είναι συνδεδεμένοι στο δίκτυο και να μεταδίδουν πλαίσια καθώς είναι σε κίνηση. Η κινητικότητα μπορεί να προκαλέσει τρείς διαφορετικούς τύπους μετάδοσης: Μη Μετάβαση Όταν οι σταθμοί δε μετακινούνται έξω από τη βασική περιοχή υπηρεσιών του access point, καμία μετάβαση δεν είναι απαραίτητη. Αυτή η κατάσταση συμβαίνει, εξαιτίας του γεγονότος ότι ο σταθμός δε μετακινείται ή μετακινείται εντός της βασικής περιοχής υπηρεσιών του δικού του access point. (Προφανώς αυτή η κατάσταση δε χαρακτηρίζεται ως μετάβαση, ισοδυναμεί δηλαδη με την απουσία μετάβασης,ωστόσο ορίζεται στις προδιαγραφές). Mετάβαση BSS Οι σταθμοί παρακολουθούν συνεχώς την ισχύ και την ποιότητα του σήματος από όλα τα access points τα οποία είναι επιφορτισμένα να καλύπτουν μια επεκταμένη περιοχή υπηρεσιών. Εντός της επεκταμένης περιοχής υπηρεσιών, το παρέχει κινητικότητα MAC επιπέδου. Σταθμοί που είναι συνδεδεμένοι στο σύστημα διανομής, μπορούν να στείλουν πλαίσια, ταχυδρομημένα στη MAC διεύθυνση ενός κινητού σταθμού και να αφήσουν τα access points από κει και πέρα να διαχειριστούν το τελικό άλμα (hop) στον κινητό σταθμό. Το σύστημα διανομής δεν είναι απαραίτητο να είναι ενήμερο περί της θέσεως του κινητού σταθμού, κατά τη διάρκεια βέβαια που αυτός βρίσκεται εντός της επεκταμένης περιοχής υπηρεσιών. Τα τρία access points στην παρακάτω εικόνα, είναι όλα ενταγμένα στο ίδιο ESS. Στην αρχή (t=1), το laptop, εφοδιασμένο με μια κάρτα δικτύου , βρίσκεται εντός της βασικής περιοχής υπηρεσιών του access point 1 (AP1) και είναι συσχετισμένο με το συγκεκριμένο access point. Όταν το laptop μετακινηθεί (t=2) απο τη βασική περιοχή υπηρεσιών του ΑP1 στη βασική περιοχή υπηρεσιών του access point 2 (AP2), πραγματοποιείται μια μετάβαση BSS. Ο κινητός σταθμός χρησιμοποιεί την υπηρεσία επανασυσχέτισης για να συσχετιστεί με το AP2, το οποίο εκκινεί τότε να στέλνει πλαίσια στο κινητό σταθμό. Οι μεταβάσεις BSS, απαιτούν τη συνεργασία των access points. Στην περίπτωση αυτή, το AP2 πρέπει να ενημερώσει το AP1 πως ο κινητός σταθμός είναι πλέον συσχετισμένος με το AP2. Το δεν εξιδικεύει τις λεπτομέρειες που αφορούν τις επικοινωνίες μεταξύ των access points κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων BSS. 31

48 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Εικόνα 2.8: Μετάβαση BSS Μετάβαση ESS Μια μετάβαση ESS αναφέρεται στη κίνηση από ένα ESS σε ένα δεύτερο, διαφορετικό ESS. Το δεν υποστηρίζει αυτού του τύπου τη μετάβαση, εκτός από το να επιτρέψει σε ένα σταθμό να συσχετιστεί με ένα access point στο δεύτερο ESS, τη στιγμή που εγκαταλείπει το πρώτο. Συνδέσεις υψηλότερου επιπέδου σχεδόν εγγυημένα, διακόπτονται. Θα ήταν λογικό να πούμε πως το υποστηρίζει τις μεταβάσεις ESS μονάχα στο βαθμό που είναι σχετικά εύκολη η απόπειρα συχέτισης με ένα access point στην καινούρια επεκταμένη περιοχή υπηρεσιών. Για τη διατήρηση συνδέσεων υψηλότερου επιπέδου, απαιτείται υποστήριξη από επιπλέον πρωτόκολλα όπως για παράδειγμα στη περίπτωση του TCP/IP όπου το πρωτόκολλο Mobile IP, απαιτείται για την συνεχόμενη υποστήριξη μιας μετάβασης ESS. Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει μια μετάβαση ESS, όπου φαίνονται τέσσερις βασικές περιοχές υπηρεσιών οργανωμένες σε δύο επεκταμένες περιοχές υπηρεσιών.ενιαίες μεταβάσεις από το αριστερό ESS στο δεξιό ESS, δεν υποστηρίζονται. Οι μεταβάσεις ESS υποστηρίζονται μονάχα επειδή ο κινητός σταθμός θα συσχετιστεί άμεσα με ένα access point στο δεύτερο ESS. Ενδεχόμενες ενεργές συνδέσεις δικτύου είναι πιθανόν να διακοπούν όταν ο κινητός σταθμός εγκαταλείψει το πρώτο ESS. 32

49 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Εικόνα 2.9: Μετάβαση ESS 2.5 Τα Επίπεδα του Τα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται από όλες τις παραλλαγές του 802, συμπεριλαμβανομένου και του Ethernet, έχουν κάποια κοινά σημεία στη δομή τους. Στην εικόνα 2.10 φαίνεται μια μερική άποψη της στοίβας πρωτοκόλλων του Το φυσικό επίπεδο αντιστοιχεί αρκετά πιστά στο φυσικό επίπεδο του OSI, αλλά το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων σε όλα τα πρωτόκολλα 802 διαιρείται σε δύο ή περισσότερα υποεπίπεδα. Στο , το υποεπίπεδο MAC (Ελέγχου Προσπέλασης Μέσου) ορίζει πώς γίνεται η εκχώρηση του καναλιού, δηλαδή ποιός θα μεταδώσει στη συνέχεια. Πάνω από αυτό βρίσκεται το υποεπίπεδο LLC (Έλεγχος Λογικού Συνδέσμου), δουλειά του οποίου είναι να κρύβει τις διαφορές ανάμεσα στις παραλλαγές του 802 έτσι ώστε να κάνει τις παραλλαγές αυτές «αόρατες» όσον αφορά το επίπεδο δικτύου. Εικόνα 2.10: Η στοίβα πρωτοκόλλων του

50 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Το Φυσικό Επίπεδο-Τεχνικές μετάδοσης Από την εμφάνιση του προτύπου μέχρι σήμερα, καθώς αυτό εξελισσόταν, αναπτύχθηκαν πολλές τεχνικές μετάδοσης για το φυσικό επίπεδο. Το αρχικό πρότυπο του 1997, καθόριζε τρείς επιτρεπόμενες τεχνικές μετάδοσης τη μέθοδο των υπερύθρων (τεχνολογία σχεδόν ίδια με τα τηλεχειριστήρια των τηλεοράσεων. Απο όσο είναι γνωστό, ποτέ δεν εφαρμόστηκε σε εμπορικά προϊόντα) και τις μεθόδους FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum-Εξάπλωση Φάσματος με Συνεχή Αλλαγή Συχνότητας) και DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum-Εξάπλωση Φάσματος Άμεσης Ακολουθίας) που χρησιμοποιούσαν ραδιοκύματα μικρής εμβέλειας και ένα τμήμα του φάσματος στο οποίο δεν απαιτείται ειδική άδεια (τη ζώνη ISM στα 2,4 GHz). Ωστόσο, οι δύο πρώτες τεχνικές θεωρούνται ξεπερασμένες στις μέρες μας ενώ η τρίτη τεχνική, η DSSS που λειτουργούσε στα 1 ή 2 Mbps (όπως και η FSSS) και με αρκετά χαμηλή ισχύ για την αποφυγή διενέξεων, επεκτάθηκε ώστε έγινε δυνατόν να λειτουργεί μέχρι τα 11 Mbps και πολύ γρήγορα απέκτησε μεγάλη επιτυχία. Η τελευταία αυτή τεχνική ονομάζεται HR-DSSS ( High Rate Direct Sequence Spread Spectrum- Εξάπλωση Φάσματος Άμεσης Ακολουθίας Υψηλού Ρυθμού), που υιοθετήθηκε από την έκδοση b και παρουσιάστηκε το Όμως την ίδια χρονιά παρουσίαστηκε μια ακόμη τεχνική μετάδοσης για την επίτευξη υψηλότερου εύρους ζώνης, η OFDM (Οrthogonal Frequency Division Multiplexing-Ορθογώνια Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας), η οποία λειτουργεί μέχρι τα 54 Mbps, στη ζώνη συχνοτήτων των 5 GHz, ενώ το 2003 παρουσιάστηκε μια δεύτερη τεχνική διαμόρφωσης OFDM, αλλά σε διαφορετική ζώνη συχνοτήτων, στα 2,4 GHz επίσης ικάνη να λειτουργήσει μεχρι τα 54 Mbps. Οι δύο προηγούμενες τεχνικές υιοθετήθηκαν από τις εκδόσεις a και g αντίστοιχα. Τεχνικές μετάδοσης που χρησιμοποιούν ταυτόχρονα πολλαπλές κεραίες στο πομπό και στο δέκτη για αύξηση της ταχύτητας μετάδοσης (συστήματα MIMO), κατέληξαν στην οριστικοποίηση του προτύπου n.Με τέσσερις κεραίες (δύο στον πομπο και δύο στο δέκτη) και κανάλια με μεγαλύτερο εύρος, το μπορεί τώρα να επιτύχει εκπληκτικούς ρυθμούς μετάδοσης, φτάνοντας μέχρι τα 600 Mbps. Κάθε μια από τις προηγόυμενες επιτρεπόμενες τεχνικές μετάδοσης, κάνει δυνατή τη μετάδοση ενός πλαισίου ΜAC από ένα σταθμό σε έναν άλλο. Οι τεχνικές διαφέρουν όμως στη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία και στις ταχύτητες που επιτυγχάνουν. Όλες οι τεχνικές του προτύπου , χρησιμοποιούν ραδιοκύματα μικρής εμβέλειας για τη μετάδοση σημάτων στις ISM ζώνες συχνοτήτων, των 2.4 GHz ή 5 GHz. Το πλεονέκτημα σε αυτές τις ζώνες συχνοτήτων είναι ότι δεν απαιτείται ειδική άδεια χρήσης και συνεπώς διαθέσιμες σε οποιονδήποτε εκπομπό που πληροί κάποιους περιορισμούς όπως η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς εκπομπης του 1 W (η πιο σύνηθης τιμή ωστόσο για wireless LANs είναι τα 50 mw). Αυτό το πλεονέκτημα είναι δυστυχώς γνωστό και στους κατασκευαστές τηλεχειριστηρίων θυρών γκαράζ, φούρνων μικροκυμάτων, ασύρματων τηλεφώνων και δεκάδων άλλων συσκευών που ανταγωνίζονται τους φορητούς υπολογιστές για το ίδιο φάσμα συχντοτήτων. Η ζώνη των 2,4 GHz τείνει να καταστεί πιο συνωστισμένη σε σχέση με τη ζώνη των 5 GHz, συνεπώς τα 5 GHz μπορούν να αποδειχθούν καταλληλότερα για κάποιες εφαρμογές παρόλο που υπάρχει μικρότερη εμβέλεια εξαιτίας της υψηλότερης συχνότητας. Όλες οι τεχνικές επίσης, χαρακτηρίζονται από πολλαπλούς ρυθμούς μετάδοσης, ιδέα που βασίζεται στη λογική πως,ανάλογα με τις υφιστάμενες συνθήκες, δύναται να χρησιμοποιούνται διαφορετικοί ρυθμοί εάν το σήμα είναι αδύναμο, μπορεί να χρησιμοποιείται χαμηλός ρυθμός ενώ εάν το σήμα είναι καθαρό, μπορεί να χρησιμοποιείται ο υψηλότερος ρυθμός μετάδοσης. Αυτή η ρύθμιση ονομάζεται προσαρμογή ρυθμού (Rate Adaption) και είναι ιδιαίτερα σημαντική για την επίτευξη καλών επιδόσεων. 34

51 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Τεχνική FHSS : Η εξάλωση φάσματος με συνεχή αλλαγή συχνότητας χρησιμοποιεί 79 κανάλια, το καθένα με εύρος 1 MHz, ξεκινώντας από το κάτω όριο της ζώνης ISM στα 2,4 GHz. Χρησιμοποιείται μια γεννήτρια ψευδοτυχαίων αριθμών για τη παραγωγή της ακολουθίας συχνοτήτων στις οποίες μεταβαίνουν διαδοχικά οι σταθμοί. Όσο όλοι οι σταθμοί χρησιμοποιούν το ίδιο φύτρο (seed) στη γεννήτρια ψευδοτυχαίων αριθμών και παραμένουν χρονικά συγχρονισμένοι, θα εκτελούν ταυτόχρονα τη μετάβαση στις ίδιες συχνότητες. Η χρονική διάρκεια κατά την οποία μένουν στην ίδια συχνότητα, δηλαδή ο χρόνος παραμονής (dwell time), είναι μια ρυθμιζόμενη παράμετρος, θα πρέπει όμως να είναι μικρότερη από 400 msec. Η τυχαία ακολουθία της FHSS παρέχει ένα δίκαιο τρόπο εκχώρησης του φάσματος στη μη αδειοδοτημένη ζώνη ISM. Παρέχει επίσης κάποια περιορισμένη ασφάλεια, αφού ένας εισβολέας που δεν γνωρίζει την ακολουθία συχνοτήτων ή το χρόνο παραμονής δε μπορεί να υποκλέψει τις μεταδόσεις. Σε μεγαλύτερες αποστάσεις μπορεί να δημιουργήσει πρόβλημα η εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών, η FHSS παρέχει όμως αρκετή αντοχή σε αυτό το φαινόμενο. Είναι επίσης σχετικά ανθεκτική στις ραδιοκυματικές παρεμβολές, γεγονός που την κάνει δημοφιλή για συνδέσεις από κτίριο σε κτίριο. Το κύριο μειονέκτημα της είναι το χαμηλό εύρος ζώνης της. Tεχνική HR-DSSS (802.11b) : Η σπουδαία αυτή τεχνική υιοθετείται όπως αναφέρθηκε, από το b και είναι μια τεχνική εξάπλωσης φάσματος, η οποία χρησιμοποιεί 11 εκατομμύρια θραύσματα/sec για να επιτύχει ταχύτητα 11 Mbps στη ζώνη των 2,4 GHz. Δεν αποτελεί εξέλιξη του a, στην πραγματικότητα δε, το πρότυπο b εγκρίθηκε και βγήκε στην αγορά πρώτο (παρόλο που η ομάδα του a δημιουργήκε πρώτη σε σχέση με την ομάδα του b). Οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων που υποστηρίζονται από το b είναι 1, 2, 5,5 και 11 Mbps. Οι δύο βραδύτεροι ρυθμοί μετάδοσης λειτουργούν στο 1 Mbaud με 1 και 2 bit ανα baud αντίστοιχα, χρησιμοποιώντας διαμόρφωση μετατόπισης φάσης για συμβατότητα με τη τεχνική DSSS. Στη τελευταία αυτή τεχνική η μέθοδος που χρησιμοποιείται έχει κάποιες ομοιότητες με το σύστημα CDMA, εκτός του γεγονότος ότι υπάρχει ένας κώδικας εξάπλωσης φάσματος που είναι κοινός για όλους τους χρήστες. Η τεχνική DSSS χρησιμοποιείτο επι χρόνια για την ικανοποίση της FCC, η οποία απαιτούσε όλος ο εξοπλισμός ασύρματης τηλεπικοινωνίας που λειτουργούσε στις ζώνες ISM στις H.Π.Α, να χρησιμοποιεί εξάπλωση φάσματος, κανονισμός που καταργήθηκε το Μαιο του Στη τεχνική DSSS κάθε bit μεταδίδεται ως 11 θραύσματα, χρησιμοποιώντας την ακολουθία Barker. Για τη λειτουργία στο 1 Mbps η ακολουθία Barker χρησιμοποιείται με διαμόρφωση BPSK για την αποστολή 1 bit ανα 11 chips, ενώ για τη λειτουργία στα 2 Mbps χρησιμοποιείται με διαμόρφωση QPSK για την αποστολή 2 bit ανα 11 chips. Για λειτουργία σε υψηλότερους ρυθμούς τα πράγματα είναι διαφορετικά.αυτοί οι ρυθμοί χρησιμοποιούν μια τεχνική που ονομάζεται CCK (Complementary Code Keying) για τη κατασκευή κωδίκων αντί των ακολουθιών Barker και λειτουργούν στο 1,375 Mbaud με 4 και 8 bit ανα baud αντίστοιχα. Αν και το b είναι βραδύτερο από το a, η εμβέλεια του είναι περίπου 7 φορές μεγαλύτερη, γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό σε πολλές περιπτώσεις. Τεχνική OFDM (802.11a g) : Tο δεύτερο από τα ασύρματα LAN υψηλής ταχύτητας, το a, χρησιμοποιεί τη τεχνική OFDM. Ένα σημαντικό κίνητρο για τη χρήση της OFDM είναι η συμβατότητα με το Ευρωπαικό σύστημα HiperLAN/2 καθώς επίσης ότι η τεχνική αυτή έχει καλή αποδοτικότητα φάσματος και μειώνει την εξασθένηση του σήματος που οφείλεται σε διάφορους μηχανισμούς, όπως για παράδειγμα η εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών. Χρησιμοποιούνται 52 διαφορετικές συχνότητες για την αποστολή των bit -48 για δεδομένα και 4 για συγχρονισμό- παρόμοια με το ADSL. Επειδή γίνονται πολλαπλές μεταδόσεις, η τεχνική αυτή θεωρείται τεχνική εξάπλωσης φάσματος, διαφορετική όμως από τόσο από την CDMA όσο και από την FHSS. Η διαίρεση του φάσματος σε πολλές στενές ζώνες 35

52 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο έχει κάποια βασικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χρήση μιας μόνο ευρείας ζώνης, στα οποία περιλαμβάνονται η καλύτερη αντοχή σε παρεμβολές στενής ζώνης και η δυνατότητα χρήσης μη συνεχόμενων ζωνών. Κάθε σύμβολο διαρκεί 4 μs και στέλνει 1, 2, 4 ή 6 bits. Τα bits κωδικοποιούνται για διόρθωση λαθών, με ένα δυαδικό συνελικτικό κώδικα αρχικά, έτσι ώστε μόνο το 1/2, 2/3, 3/4 των bits να μην είναι πλεονάζοντα. Χρησιμοποιείται ένα περίπλοκο σύστημα κωδικοποίησης, το οποίο βασίζεται σε διαμόρφωση μετατόπισης φάσης για ταχύτητες μέχρι τα 18 Mbps και σε QAM για τις μεγαλύτερες ταχύτητες. Στα 54 Mbps, 216 bits δεδομένων κωδικοποιούνται σε σύμβολα των 288 bit. Mε διαφορετικούς συνδιασμούς, το a μπορεί να χρησιμοποιήσει μέχρι και οχτώ διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης που ποικίλουν από τα 6 Mbps έως τα 54 Mbps. Αυτοί οι ρυθμοί είναι σημαντικά υψηλότεροι από τους ρυθμούς του προτύπου b και επίσης εμφανίζονται λιγότερες παρεμβολές στη ζώνη συχνοτήτων των 5 GHz. Μια βελτιωμένη παραλλαγή του b είναι το g, το οποίο χρησιμοποιεί την ίδια μέθοδο διαμόρφωσης OFDM του a, λειτουργεί όμως στη στενή ζώνη ISM των 2.4 GHz όπως και το b. Επιτυγχάνει ίδιους ρυθμούς μετάδοσης όπως και το a (6 Mbps έως 54 Mbps) ενώ είναι επιλέον συμβατό με οποιαδήποτε κοντινή συσκευή που λειτουργεί με το b. Τεχνική MIMO (802.11n) : Παρά τις σπουδαίες εξελίξεις που αναφέρθηκαν, η επιτροπή της ΙΕΕΕ ξεκίνησε να δουλεύει πάνω σε μια νέα παραλλαγή του προτύπου, που θα είχε την ικανότητα μεγάλου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Αυτή η προσπάθεια κατέληξε στο n και στόχος ήταν η επίτευξη ταχύτητας τουλάχιστον 100 Mbps. Η επιτροπή διπλασίασε τα κανάλια από 20 MHz σε 40 MHz και μείωσε τις επικεφαλίδες των πλαισίων επιτρέποντας να σταλεί μαζί μια ομάδα πλαισίων. Tο n χρησιμοποιεί μέχρι τέσσερις κεραίες για την ταυτόχρονη μετάδοση μέχρι τεσσάρων ροών δεδομένων. Τα σήματα των ροών παρεμβάλονται στο δέκτη και στη συνέχεια διαχωρίζονται χρησιμοποιώντας τεχνικές MIMO (Multiple Input Multiple Output). Η χρήση πολλαπλών κεραιών προσφέρει τεράστιες ταχύτητες και μαζί με τη τεχνική OFDM, αποτελούν δύο από τις πιο σημαντικες ιδέες στο χώρο των επικοινωνιών, οι οποίες αλλάζούν τα δεδομένα στο σχεδιασμό των ασυρμάτων δικτύων και ήδη πρωταγωνιστεί σε μεγάλο βαθμό στο τομέα αυτό. 36

53 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Πρωτόκολλο Συχνότητα (GHz) Bandwidth (MHz) Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων ανα stream (Mbit/s) Διαμόρφωση Εκτειμόμενη εμβέλεια εσωτερικού χώρου (m) Εκτειμόμενη εμβέλεια εξωτερικού χώρου (m) , 2 DSSS,FHSS a , 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 OFDM b , 2, 5.5, 11 DSSS g , 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 OFDM,DSSS n 2.4/ , 14.4, 21.7, 28.9, 43.3, 57.8, 65, 72.2 MIMO-OFDM , 30, 45, 60, 90, 120, 135, Πινακας 2.2: Οι βασικές εκδόσεις του Έλεγχος Προσπέλασης Μέσου -MAC Το επίπεδο MAC του της IEEE, καλύπτει τρείς λειτουργικές περιοχές: την αξιόπιστη διανομή δεδομένων, τον έλεγχο προσπέλασης μέσου και την ασφάλεια. Στην παρακάτω ενότητα αναλύονται οι δύο πρώτες Αξιόπιστη διανομή δεδομένων Όπως κάθε ασύρματο δίκτυο, ένα ασύρματο LAN που χρησιμοποιεί το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο MAC του της IEEE, είναι εκτεθειμένο σε σημαντική αναξιοπιστία. Θόρυβος, παρεμβολή και άλλα συμβάντα στη μετάδοση, έχουν ως αποτέλεσμα την απώλεια ενός σημαντικού αριθμού πλαισίων. Ακόμα και με κώδικες διόρθωσης λαθών, ένας αριθμός MAC πλαισίων είναι πιθανόν να μη ληφθεί επιτυχώς. Αυτή η κατάσταση μπορεί να αντιμετωπιστεί με μηχανισμούς αξιοπιστίας σε ένα υψηλότερο επίπεδο ως το TCP. Ωστόσο, τα χρονόμετρα που χρησιμοποιούνται για την επαναμετάδοση στα υψηλότερα επίπεδα είναι τυπικά της τάξεως δευτερολέπτων. Είναι επομένως, πιο αποδοτικό να αντιμετωπίζονται τα σφάλματα στο επίπεδο MAC. Γι αυτό το σκοπό το περιέχει ένα πρωτόκολλο ανταλλαγής πλασίων. Όταν ένας σταθμός λάβει ένα πλαίσιο δεδομένων από 37

54 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο έναν άλλον σταθμό, τότε επιστρέφει ένα πλαίσιο αναγνώρισης (Acknowledgment-ACK) στο σταθμό πηγή. Αυτή η ανταλλαγή μεταχειρίζεται σαν ξεχωριστή μονάδα ώστε να μη διακοπεί από μια μετάδοση ενός άλλου σταθμού. Εάν η πηγή δε λάβει ένα ACK εντός μιας βραχείας χρονικής περιόδου, είτε επειδή το πλαίσιο δεδομένων του ήταν κατεστραμένο είτε επειδή ήταν κατεστραμένη η επιστροφή του ACK, η πηγή επαναμεταδίδει το πλαίσιο. Συνεπώς, ο βασικός μηχανισμός μετάδοσης δεδομένων του , περιλαμβάνει μια ανταλλαγή δύο πλαισίων. Για την περαιτέρω ενίσχυση της αξιοπιστίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και μια ανταλλαγή τεσσάρων πλαισίων. Σε αυτό το σενάριο, μια πηγή στέλνει ένα πλαίσιο «αίτησης αποστολής» (Request To Send-RTS) στο προορισμό. Ο προορισμός απαντά με ένα πλαίσιο «έγκρισης αποστολής» (Clear To Send-CTS). Αφότου η πηγή λάβει το CTS, μεταδίδει το πλαίσιο δεδομένων και ο προορισμός απαντά με ένα ACK. Το RTS ενημερώνει όλους τους σταθμούς που βρίσκονται εντός της εμβέλειας λήψης της πηγής, ότι μια συναλλαγή είναι σε εξέλιξη οι σταθμοί αυτοί αποφεύγουν τη μετάδοση με σκοπό την αποφυγή σύγκρουσης μεταξύ των πλαισίων που μεταδίδονται ταυτόχρονα. Παρομοίως, το CTS ειδοποιεί όλους τους σταθμούς που βρίσκονται εντός της περιοχής λήψης του προορισμού, ότι μια ανταλλαγή είναι σε εξέλιξη. Το κομμάτι της ανταλλαγής RTS/CTS είναι μια απαραίτητη λειτουργία του MAC, μπορεί όμως να είναι απενεργοποιημένη MAC Το πρωτόκολλο υποεπιπέδου MAC του είναι αρκετά διαφορετικό από αυτό του Ethernet, εξαιτίας δύο παραγόντων που είναι θεμελειώδεις στις ασύρματες επικοινωνίες. Αρχικά, οι περισσότεροι πομποδέκτες είναι ημιαμφίδρομοι, γεγονός που σημαίνει ότι δε μπορούν ταυτόχρονα να μεταδίδουν και να ανιχνεύουν ριπές θορύβου σε μία μονο συχνότητα. Το λαμβανόμενο σήμα μπορεί εύκολα, να είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο αδύναμο σε σχέση με το μεταδιδόμενο σήμα, για αυτό και δεν μπορεί να ακουστεί ταυτόχρονα. Στο Ethernet, ο σταθμός απλώς περιμένει μέχρι ο αιθέρας να γίνει σιωπηλός και μετά αρχίζει να μεταδίδει. Αν δεν λάβει μια ριπή θορύβου μέσα στα πρώτα 64 byte, το πλαίσιο είναι σχεδόν βέβαιο ότι έχει παραδοθεί σωστά. Όμως, με το το CSMA/CD, δεν λειτουργεί. Αντί γι αυτού, το προσπαθεί να αποφύγει τις συγκρούσεις με ένα πρωτόκολλο που ονομάζεται CSMA με Αποφυγή Συγκρούσεων ή CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance). Αυτό το πρωτόκολλο εννοιολογικά είναι παρόμοιο με το CSMA/CD του Ethernet, με ανίχνευση του καναλιού πριν την αποστολή και χρησιμοποιώντας αλγόριθμο εκθετικής οπισθοχώρησης μετά τις συγκρούσεις. Παρόλα αυτά, ένας σταθμός που έχει να στείλει ένα πλαίσιο, ξεκινά με μια τυχαία οπισθοχώρηση (εκτός της περίπτωσης που δεν έχει χρησιμοποιήσει το κανάλι πρόσφατα και το κανάλι είναι αδρανές), δεν περιμένει για μια σύγκρουση. Ο αριθμός των slot για την οπισθοχώρηση επιλέγεται σε μια εμβέλεια από 0 έως 15 για παράδειγμα, στη περίπτωση του φυσικου επιπεδο της OFDM. Ο σταθμός αναμένει μέχρι το κανάλι να γίνει αδρανές, ανιχνεύοντας πως δεν υπάρχει σήμα για μια μικρή χρονική περίοδο (αυτή η περίοδος ονομάζεται DIFS και θα εξηγηθεί αργότερα) και μετρά αντίστροφα τα αδρανή slot, σταματώντας όταν στέλνοται πλαίσια. Στέλνει το πλαίσιο όταν ο μετρητής φτάσει το 0. Αν το πλαίσιο φτάσει επιτυχώς, ο προορισμος στέλνει αμέσως μια μικρή επιβεβαίωση. Έλλειψη επιβεβαίωσης σημαίνει πως έχει συβεί κάποιο σφάλμα, είτε μιλάμε για μια σύγκρουση, είτε για οτιδήποτε άλλο. Σε αυτή τη περίπτωση ο αποστολέας διπλασίαζει το χρόνο οπισθοχώρησης και προσπαθεί ξανά, συνεχίζοντας να χρησιμοποιεί αλγόριθμο δυαδικής οπισθοχώρησης όπως το Ethernet, έως ότου να μεταδοθεί επιτυχώς το πλαίσιο ή μέχρι να εξαντληθεί ο μέγιστος αριθμός δυνατών επαναλήψεων. 38

55 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Ένα παράδειγμα φαίνεται στην εικόνα 2.11.Ο σταθμός Α είναι αυτός που αρχικά θα στείλει ένα πλαίσιο. Καθώς ο Α στέλνει, οι σταθμοί Β και C γίνονται «έτοιμοι για αποστολή». Ανιχνεύουν το κανάλι, βλέπουν πως είναι απασχολημένο και περιμένουν μέχρι να γίνει αδρανές. Σχεδόν αμέσως μετά από τη στιγμή που ο Α λαμβάνει μια επιβεβαίωση, το κανάλι γίνεται αδρανές. Ωστόσο, είναι προτιμότερο ο B και ο C να πραγματοποιήσουν μια οπισθοχώρηση σε σχέση με το να στείλουν ένα πλαίσιο αμέσως με ορατό το κίνδυνο σύγκρουσης. Εικόνα 2.11: Αποστολή ενός πλαισίου με CSMA/CA Αυτή η κατάσταση λειτουργίας ονομάζεται Κατανεμημένη Λειτουργία Συντονισμού ή DCF (Distributed Coordination Function) και δε χρησιμοποιεί κάποιο είδος κεντρικού ελέγχου (από αυτή την άποψη είναι παρόμοια με το Ethernet). Η άλλη, που ονομάζεται Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού ή PCF (Point Coordination Function), χρησιμοποιεί το σταθμό βάσης για τον έλεγχο όλων των δραστηριοτήτων στην αντίστοιχη κυψέλη του. Όλες οι υλοποιήσεις πρέπει να υποστηρίζουν την DCF, ενώ η PCF είναι προαιρετική. Πρακτικά, η PCF δε χρησιμοποιείται διότι δεν υπάρχει κανονικά κάποιος τρόπος να εμποδιστούν οι σταθμοί ενός παραπλήσιου δικτύου από το να μεταδίδουν αντίστοιχη κίνηση. Το δεύτερο πρόβλημα είναι ότι οι εμβέλειες μετάδοσης διαφορετικών σταθμών μπορεί να διαφέρουν. Τα συστήματα που χρησιμοποιούν καλώδια είναι σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο ώστε όλοι οι σταθμοί να μπορούν να ακούσουν ο ένας τον άλλον. Όμως, με την πολυπλοκότητα της RF μετάδοσης, αυτή κατάσταση δεν ισχύει για τους ασύρματους σταθμούς. Συνεπώς προκύτουν προβλήματα όπως αυτό του κρυφού σταθμού το οποίο απεικονίζεται στην εικόνα 2.12 (α). Αφού όλοι οι σταθμοί δεν είναι εντός της εμβέλειας όλων των άλλων, οι μεταδόσεις που πραγματοποιούνται σε ένα τμήμα μιας κυψέλης μπορεί να μη λαμβάνονται σε άλλα σημεία στην ίδια κυψέλη. Στο 39

56 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο παράδειγμα αυτό, ο σταθμός C μεταδίδει στο σταθμό Β.Αν ο Α ανιχνεύσει το κανάλι, δεν θα ακούσει τίποτα και θα συμπεράνει εσφαλμένα ότι μπορεί να αρχίσει να μεταδίδει στον Β.Αυτή η απόφαση οδηγεί σε σύγκρουση. Το αντίστροφο πρόβλημα είναι το πρόβλημα του εκτεθειμένου σταθμού, το οποίο φαίνεται στην εικόνα 2.12 (β). Εδώ ο Β θέλει να στείλει στον C, έτσι ανιχνεύει το κανάλι. Όταν ακούσει μια μετάδοση, συμπεραίνει εσφαλμένα ότι δεν πρέπει να στείλει στον C, αν και ο A μεταδίδει στον D (που δεν φαίνεται). Αυτή η απόφαση σπαταλά μια ευκαιρία μετάδοσης. (α) (β) Εικόνα 2.12: (α) Το πρόβλημα του κρυφού σταθμού. (β) Το πρόβλημα του εκτεθειμένου σταθμού. Ο άλλος τρόπος λειτουργίας του CSMA/CA χρησιμοποιεί ανίχνευση εικονικού καναλιού όπως φαίνεται στην εικόνα Στο παράδειγμα αυτό ο Α θέλει να στείλει στον Β.Ο C είναι ένας σταθμός εντός της εμβέλειας του Α (πιθανόν εντός και της εμβέλειας του Β αλλά αυτό δεν έχει σημασία). O D είναι ένας σταθμός εντός της εμβέλειας του Β αλλά όχι εντός της εμβέλειας του Α. Το πρωτόκολλο αρχίζει όταν ο Α αποφασίσει ότι θέλει να στείλει δεδομένα στον Β. Ξεκινά στέλνοντας ένα πλαίσιο RTS στον Β, ζητώντας άδεια να του στείλει ένα πλαίσιο. Όταν ο Β λάβει την αίτηση αυτή, μπορεί να αποφασίσει να παραχωρήσει τη ζητούμενη άδεια, οπότε επιστρέφει ένα πλαίσιο CTS. Με τη λήψη του, ο Α στέλνει το πλαίσιο του και ξεκινά ένα χρονόμετρο επιβεβαίωσης. Αφού λάβει ορθά το πλαίσιο δεδομένων, ο Β απαντά με ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης, ολοκληρώνοντας την ανταλλαγή. Αν το χρονόμετρο επιβεβαίωσης του Α λήξει πριν φτάσει σε αυτόν η επιβεβαίωση, ολόκληρο το πρωτόκολλο εκτελείται ξανά. 40

57 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Εικόνα 2.13: Ανίχνευση εικονικού καναλιού με χρήση CSMA/CA Εξετάζοντας τώρα την ανταλλαγή αυτή από την οπτική γωνία των C και D, ο C βρίσκεται εντός της εμβέλειας του Α, έτσι μπορεί να λάβει το πλαίσιο RTS. Αν το λάβει αντιλαμβάνεται οι κάποιος σε λίγο θα στείλει δεδομένα, έτσι για το καλό όλων αποφεύγει να μεταδώσει οτιδήποτε μέχρι να ολοκληρωθεί η ανταλλαγή. Από τις πληροφορίες που παρέχονται στην αίτηση RTS μπορεί να εκτιμήσει πόσο χρόνο θα πάρει η ανταλλαγή, συμπεριλαμβανομένης της τελικής επιβεβαίωσης, έτσι ενεργοποιεί για τον εαυτό του ένα σήμα ότι το εικονικό κανάλι είναι απασχολημένο, γεγονός που σημειώνεται στην εικόνα 2.13 ως Διάνυσμα Εκχώρησης Δικτύου ή NAV (Network Allocation Vector). Ο D δεν ακούει το μήνυμα RTS, ακούει όμως το CTS, έτσι ενεργοποιεί και αυτός από τη πλευρά του το σήμα NAV. Σημειώνεται εδώ ότι τα σήματα NAV δεν μεταδίδονται. Είναι απλώς εσωτερικές υπενθυμήσεις ότι ο σταθμός πρέπει να παραμέινει σιωπηλός για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Παρόλο που το RTS/CTS φαίνεται θεωρητικά καλό, είναι από αυτές τις τεχνικές που αποδεδειγμένα έχουν μικρή αξία στη πράξη. Υπάρχουν αρκετοί λόγοι που συνετέλεσαν στη σπάνια χρήση του. Δεν είναι κατάλληλο για μικρά πλαίσια (τα οποία στέλνονται στη θέση των RTS) και για AP (όπου δύναται να σταλεί οτιδήποτε), ενώ σε άλλες περιπτώσεις απλώς καθυστερεί τη λειτουργία συνολικά. Επιπλέον, δε βοηθά ιδαίτερα στο πρόβλημα του εκτεθειμένου σταθμού, παρά μόνο στου κρυφού σταθμού. Τις περισσότερες φορές όμως, υπάρχουν λίγοι κρυφοί σταθμοί και το CSMA/CA ήδη τους βοηθά, επιβραδύνοντας σταθμούς που μεταδίδουν ανεπιτυχώς, ανεξάρτητα από την αιτία, με σκοπό να κάνει πιο πιθανή την επιτυχία της μετάδοσης. Το CSMA/CA με φυσική και εικονική ανίχνευση είναι ο πυρήνας του πρωτοκόλλου Ωστόσο, έχουν αναπτυχθεί αρκετοί ακόμα μηχανισμοί που σχεδιάστηκαν γι αυτό, κάθε ένας από τους οποίους δημιουργήθηκε με κίνητρο τις ρεαλιστικές ανάγκες γύρω από τη λειτουργία του πρωτοκόλλου και οι οποίοι αναλύονται στη συνέχεια. 41

58 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Αξιοπιστία Σε αντίθεση με τα ενσύρματα δίκτυα, τα ασύρματα δίκτυα έιναι θορυβώδη και αναξιόπιστα, γεγονός που οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη παρεμβολή από άλλες συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούν τις μη αδειδοτημένες ζώνες ISM. Η κύρια στρατηγική που χρησιμοποιείται για να αυξηθούν οι επιτυχείς μεταδόσεις, είναι να χαμηλώσουμε το ρυθμό μετάδοσης. Οι μικρότεροι ρυθμοί μετάδοσης χρησιμοποιούν πιο αποδοτικές κωδικοποιήσεις και είναι πιο πιθανόν να έχουν επιτυχία λήψης για ένα δεδομένο SNR (Signal to Noise Ratio). Εάν χάνονται πολλά πλαίσια, ο σταθμός μπορεί να χαμηλώσει το ρυθμό, ενώ αν τα πλαίσια διανέμονται με μικρές απώλειες, ο σταθμός μπορεί περιστασιακά να δοκιμάσει υψηλότερο ρυθμό και να εξετάσει αν θα πρέπει αυτός να χρησιμοποιείται. Μια άλλη στρατηγική για τη βελτίωση της πιθανότητας της επιτυχούς μετάδοσης ενός πλαισίου, είναι η αποστολή μικρότερων πλαισίων. Αν η πιθανότητα ένα bit να είναι εσφαλμένο, είναι p, τότε η πιθανότητα να ληφθεί ορθά ένα πλαίσιο των n bit είναι (1-p) n. Για παράδειγμα, για p=10-4, η πιθανότητα ορθής λήψης ενός πλαισίου Ethernet πλήρους μεγέθους ( bit) είναι μικρότερη από 30%. Αυτό σημαίνει ότι τα περισσότερα πλαίσια θα καταστραφούν. Στη περίπτωση όμως που τα πλαίσια έχουν το μήκος του ενός τρίτου του αρχικού (4.048 bit), τα δύο τρίτα αυτών θα ληφθούν επιτυχώς και έτσι θα χρειαστούν λιγότερες επαναμεταδόσεις. Συμπερασματικά, αν ένα πλαίσιο έιναι πολύ μεγάλο, έχει μικρή πιθανότητα να φτάσει ορθά και μάλλον θα χρειαστεί να επαναμεταδοθεί. Μικρότερα πλαίσια γίνεται να επιτευχθούν μειώνοντας το μέγιστο μέγεθος του μηνύματος που είναι αποδεκτό από το επίπεδο δικτύου. Εναλλακτικά, το , επιτρέπει στα πλαίσια να τεμαχίζονται σε μικρότερα κομμάτια που ονομάζονται θραύσματα (fragments), το καθένα από οποία έχει δικό του άθροισμα ελέγχου. Το μέγεθος του θραύσματος δεν είναι απόλυτα ρυθμισμένο, με την έννοια ότι είναι μια παράμετρος που μπορεί να ρυθμιστεί από το εκάστοτε AP. Τα θραύσματα αριθμούνται και επιβεβαιώνται χωριστα μέσω ενός πρωτοκόλλου παύσης και αναμονής (δηλαδή ο αποστολέας δε μπορεί να μεταδόσει το θραύσμα κ+1 προτού λάβει την επιβεβαίωση για το θραύσμα κ). Αφού γίνει κατάληψη του καναλιού, μπορούν να σταλούν πολλά θραυσματα ως μια ριπή (fragment burst), όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 2.14: Μια ριπή θραυσμάτων 42

59 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Συνεπώς, ο κατακερματισμός σε θραύσματα αυξάνει τη διεκπεραιωτική ικανότητα, αφού περιορίζει τις αναμεταδόσεις στα λανθασμένα θραύσματα αντί σε ολόκληρα τα πλαίσια. Ο μηχανισμός NAV διατηρεί τους άλλους σταθμούς σιωπηλούς μόνο μέχρι την επόμενη επιβεβαίωση, χρησιμοποιείται όμως ένας άλλος μηχανισμός για να επιτρέψει την αποστολή μιας ολόκληρης ριπής θραυσμάτων χωρίς παρεμβολές. Εξοικονόμηση ενέργειας Ο χρόνος ζωής των μπαταριών έιναι ένα μόνιμο πρόβλημα στις φορητές ασύρματες συσκευές. Το δίνει αρκετή σημασία στο ζήτημα της διαχείρισης ισχύος, έτσι ώστε οι χρήστες να μη σπαταλούν ισχύ όταν δεν έχουν να στείλουν ή να λάβουν πληροφορίες. Ο βασικός μηχανισμός για την εξοικονόμηση ενέργειας είναι δομημένος στα πλαίσια φάρου (beacon frames). Τα πλάισια φάρου εκπέμπονται περιοδικά από το AP με συχνότητα 10 έως 100 φορές ανα δευτερόλεπτο και περιέχουν παραμέτρους του συστήματος όπως τις ακολουθίες μετάβασης συχνοτήτων και τους χρόνους παραμονής (FHSS), πληροφορίες συγχρονισμού ρολογιού κτλ. Προσκαλεί επίσης νέους σταθμούς να εγγραφούν στην υπηρεσία περιόδευσης. Αφου ένα AP γραφτεί στην υπηρεσία αυτή, για ένα συγκεκριμένο ρυθμό μετάδοσης, ουσιαστικά λαμβάνει ένα εγγυημένο ποσοστό του εύρους ζώνης, κάνοντας έτσι εφικτή τη παροχή εγγυήσεων ποιότητας υπηρεσιών. Συγκεκριμένα, το AP, μπορεί να κατευθύνει ένα κινητό σταθμό έτσι ώστε να μεταπέσει σε κατάσταση νάρκης μέχρι να τον «αφυπνίσει» ρητά το AP ή ο χρήστης. Όταν όμως, ζητά από έναν σταθμό να μεταπέσει σε κατάσταση νάρκης, το AP έχει την ευθύνη να αποθηκεύει προσωρινά τα πλαίσιο που προορίζονται για το σταθμό όσο αυτός βρίσκεται σε νάρκη. Τα πλαίσια αυτά μπορούν να παραληφθούν αργότερα. Ένας νέος μηχανισμός που ονομάζεται APSD (Automatic Power Save Delivery), προστέθηκε στο το Σε αυτό το μηχανισμό, το AP αποθηκεύει προσωρινά πλαίσια και τα στέλνει στο χρήστη αφότου ο χρήστης στέλνει πλαίσια στο AP. Στη συνέχεια ο χρήστης μπορεί να μεταπέσει σε κατάσταση νάρκης μέχρι να χρειαστεί ξανά να στείλει ή να λάβει. Αυτός ο μηχανισμός δουλεύει εξαιρετικά σε εφαρμογές όπως το VοIP, όπου υπάρχει αμφίδρομη κίνηση. Quality of Service-QoS Το διαθέτει έναν έξυπνο μηχανισμό για να παρέχει Ποιότητα Υπηρεσιών (QoS), ο οποίος εισήχθηκε σαν σετ επεκτάσεων του βασικού προτύπου, υπο το όνομα e το Λειτουργεί επεκτείνοντας το CSMA/CA, με προσεκτικά επιλεγμένα διαστήματα μεταξύ των πλαισίων. Αφού σταλεί ένα πλαίσιο, πρέπει να περάσει ένα συγκεκριμένο διάστημα νεκρού χρόνου πριν να επιτραπεί σε οποιονδήποτε άλλο σταθμό να στείλει ένα πλαίσιο. Το κλειδί στην υπόθεση είναι να καθοριστούν διαφορετικοί ενδιάμεσοι χρόνοι για διαφορετικού είδους πλαίσια. Τα πέντε πλαίσια φαίνονται στιν εικόνα

60 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Εικόνα 2.15: Διαστήματα μεταξύ πλαισίων στο Το μικρότερο διάστημα είναι το Βραχύ Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων ή SIFS (Short InterFrame Spacing). Χρησιμοποιείται για να δώσει στα δύο άκρα μιας συνδιάλεξης την ευκαιρία να μεταδώσουν πρώτα. Οι περιπτώσεις που περιλαμβάνονται είναι να στέλνει ο παραλήπτης ένα μήνυμα CTS σε απάντηση ενός RTS, να στέλνει ο παραλήπτης μια επιβεβαίωση για ένα θραύσμα ή ένα πλήρες πλαίσιο δεδομένων και να στέλνει ο αποστολέας μιας ριπής θραυσμάτων το επόμενο θραύσμα χωρίς να χρειαστεί να στείλει ξανά μήνυμα RTS. Αν ο σταθμός δεν έχει τίποτα να πεί και περάσει χρόνος ίσος με το Διάστημα DCF Μεταξύ Πλαισίων ή DIFS (DCF InterFrame Spacing), κάθε σταθμός μπορεί να προσπαθήσει να καταλάβει το κανάλι για να στείλει ένα νέο πλαίσιο. Ισχύουν οι συνηθισμένοι κανόνες ανταγωνισμού και μπορεί να χρειαστεί να εκτελεστεί δυαδική εκθετική οπισθοχώρηση αν παρουσιαστεί σύγκρουση. Τα δύο διαστήματα «διαιτησίας» ΑIFS (Arbitration InterFrame Space), παρουσιάζουν παραδείγματα δύο διαφορετικών επιπέδων προτεραιότητας. Το μικρότερο ενδιάμεσο διάστημα, AIFS 1, είναι μικρότερο από το DIFS αλλά μεγαλύτερο από SIFS. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το AP για τη διακίνηση φωνής ή φορτίου υψηλής προτεραιότητας στη κεφαλή της γραμμής.το AP θα περιμένει ένα μικρότερο ενδιάμεσο διάστημα προτού στείλει τα δεδομένα φωνής και έτσι θα τα στείλει πριν τη τακτική κίνηση. Το μεγάλο διάστημα AIFS 4 είναι μεγαλύτερο από το DIFS. Χρησιμοποιείται για κίνηση παρασκηνίου, που η μετάδοση της μπορεί να μετατεθεί χρονικά για αμέσως μετά τη τακτική κίνηση. Το AP θα αναμένει για ένα μεγαλύτερο διάστημα προτού στείλει τη κίνηση, δίνοντας την ευκαρία να μεταδοθεί πρώτα η τακτική κίνηση. Ο μηχανισμός QoS συνολικά, καθορίζει τέσσερα διαφορετικά επίπεδα προτεραιότητας, τα οποία έχουν διαφορετικές παραμέτρους οπισθοχώρησης και διαφορετικές παραμέτρους αδράνειας. Το τελευταίο χρονικό διάστημα, το Επεκταμένο Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων ή EIFS (Extended InterFrame Spacing), χρησιμοποιείται μόνο από ένα σταθμό που έχει μολις λάβει ένα λανθασμένο ή άγνωστο πλαίσιο και έχει ως στόχο να αναφέρει το πρόβλημα. Το σκεπτικό με βάση το οποίο αυτό το συμβάν έχει τη χαμηλότερη προτεραιότητα είναι ότι, αφού ο παραλήπτης μπορεί να μη έχει ιδέα για το 44

61 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο τι συμβαίνει, θα πρέπει να περιμένει αρκετό χρόνο έτσι ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές σε μια συνδίαλεξη που βρίσκεται σε εξέλιξη μεταξύ δύο σταθμών. 2.6 Δομή πλαισίων του Το πρότυπο ορίζει τρείς διαφορετικές κατηγορίες πλαισίων: τα πλαίσια δεδομένων, ελέγχου και διαχείρισης. Κάθε μια από αυτές τις τρείς κατηγορίες έχει μια κεφαλίδα με διάφορα πεδία που χρησιμοποιούνται στο υποεπίπεδο MAC. Υπάρχουν επίσης και κάποιες κεφαλίδες που χρησιμοποιούνται στο φυσικό επίπεδο, οι οποίες όμως ασχολούνται κυρίως με τις τεχνικές διαμόρφωσης που χρησιμοποιούνται και δεν εξετάζονται εδώ. Η μορφή ενός πλαισίου δεδομένων φαίνεται στη εικόνα Αποτελείται από τα παρακάτω μέρη: Εικόνα 2.16: Το πλαίσιο δεδομένων του ΈΛΕΓΧΟΣ ΠΛΑΙΣΙΟΥ (FRAME CONTROL): Υποδεικνύει το τύπο του πλαισίου και παρέχει πληροφορίες ελέγχου.το πεδίο αυτό έχει 11 υποπεδία τα οποία είναι: Έκδοση Πρωτοκόλλου (Protocol Version): Επιτρέπει να λειτουργούν ταυτόχρονα στην ίδια κυψέλη δύο εκδόσεις του πρωτοκόλλου. Τύπος (Type): Αναγνωρίζει το τύπο του πλαισίου (δεδομένα,έλεγχος ή διαχείριση). Δευτερεύων Τύπος (Subtype): Αναγνωρίζει περαιτέρω τη λειτουργία του πλαισίου. Από DS (From DS): Δείχνουν αν το πλαίσιο προέρχεται απο το σύστημα διανομής πλαισίων μεταξύ των κυψελών (για παράδειγμα ένα δίκτυο Ethernet). 45

62 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Προς DS (To DS): Δείχνουν αν το πλαίσιο κατευθύνεται στο σύστημα διανομής πλαισίων μεταξύ των κυψελών. Περισσότερα Θραύσματα (More Fragments): Σημαίνει ότι θα ακολουθήσουν περισσότερα θραύσματα. Επανάληψη (Retry): Σημαίνει ότι έχουμε αναμετάδοση ενός bit που στάλθηκε νωρίτερα. Διαχείριση Ισχύος (Power Management): Χρησιμοποείται από το AP για να θέσει το παραλήπτη σε κατάσταση νάρκης ή για να τον επαναφέρει από τη κατάσταση νάρκης. Περισσότερα Δεδομένα (More Data): Υποδεικνύει ότι ο αποστολέας έχει πρόσθετα πλαίσια για τον παραλήπτη. Προστασία (Protected): Προσδιορίζει ότι το σώμα του πλαισίου έχει κρυπτογραφηθεί, για ασφάλεια. Σειρά (Order): Λέει στο παραλήπτη ότι μια ακολουθία πλαισίων στην οποία είναι ενεργοποιημένο αυτό το bit θα πρέπει να την επεξεργαστεί αυστηρά με τη σειρά. ΔΙΑΡΚΕΙΑ (DURATION) : Δείχνει για πόσο χρόνο θα καταλάβουν το κανάλι το πλαίσιο και η επιβεβαίωση του. Το πεδίο αυτό υπάρχει και στα πλαίσια ελέγχου και είναι η μέθοδος μέσω της οποίας οι υπόλοιποι σταθμοί διαχειρίζονται το μηχανισμό NAV. ΔΙΕΥΘΥΝΣΕΙΣ (ADDRESSES): Τα πλαίσια δεδομένων που στέλνονται από ή προς ένα AP, περιέχουν τρείς διευθύνσεις, όλες με τη τυπική μορφή του προτύπου 802 της IEEE. Η πρώτη διεύθυνση είναι ο παραληπτης και η δεύτερη ο αποστολέας ενώ η τρίτη χρησιμοποείται για να δείξει τη διεύθυνση προορισμου όσο αφορα τη κίνηση μεταξύ των κυψελών (τα πλαίσια μπορούν να εισέρχονται ή να εξέρχονται μιας κυψέλης μέσω ενός ΑP). ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ (SEQUENCE): Το πεδίο αυτό επιτρέπει την αρίθμηση των θραυσμάτων.απο τα 16 διαθέσιμα bit, τα 12 προσδιορίζουν το πλαίσιο και τα 4 προσδιορίζουν το θραύσμα. ΔΕΔΟΜΕΝΑ (DATA): Περιέχει το ωφέλιμο φορτίο μήκους μέχρι 2312 byte. ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ (FRAME CHECK SEQUENCE): Είναι ένα κυκλικός έλεγχος πλεονασμού, 32 bit. 46

63 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο Τα πλαίσια διαχείρισης έχουν μορφή παρόμοια με αυτή των πλαισίων δεδομένων, με ένα επιπλεόν πεδίο για το κομμάτι των δεδομένων που ποικίλει ανάλογα τον δευτερεύοντα τύπο. Τα πλαίσια ελέγχου είναι ακόμα μικρότερα. Διαθέτουν πεδία όπως Έλεγχο πλαισίου, Διάρκεια και Ακολουθία ελέγχου πλαισίου. Ωστόσο, έχουν μόνο μια διεύθυνση και καθόλου πεδίο Δεδομένα και Ακολουθία. Η βασική πληροφορία στα πλαίσια αυτά είναι στο πεδίο Δευτερεύων τύπος, το οποίο είναι συνήθως RTS, CTS ή επιβεβαίωση. 2.7 Άλλες Εκδόσεις του Εκτός από τα βασικά πρότυπα που αναλύθηκαν σε προηγούμενη ενότητα, υπάρχει ακόμα ένας αριθμός προτύπων τα οποία είτε είναι σε εξέλιξη είτε έχουν ήδη δημιουργηθεί. Αυτά είναι τα εξής: c (2003): Η έκδοση αυτή ασχολείται κυρίως με τη λειτουργία γεφύρωσης (bridging) πλαισίων Γέφυρα καλείται η συσκευή που ενώνει δύο LAN τα οποία έχουν παρόμοιο ή πανομοιότυπο πρωτόκολλο MAC. Πραγματοποιεί λειτουργίες παρόμοιες με αυτές ενός router επιπέδου IP, αλλά στο επίπεδο MAC. Τυπικά η γέφυρα είναι απλούστερη και αποδοτικότερη από ένα IP router. Το πρότυπο οριστικοποιήθηκε από την ατνίστοιχη ομάδα εργασίας της IEEE το 2003 και ενσωματώθηκε στο πρότυπο 802.1D που σχετίζεται με τη γεφύρωση των LAN d (2001): Πρόκειται για ενημέρωση η οποία σχετίζεται με τη λειτουργία του προτύπου σε άλλες ζώνες συχνοτήτων ώστε να καθίσταται δυνατή η χρήση του από άλλες χώρες που δεν καλύπτονται από το πρότυπο. Συγκεκριμένα, ορίζει τις απαιτήσεις φυσικού επιπέδου προκειμένου να ικανοποιούνται οι κανονισμοί σε άλλες χώρες e (2005 ): Σε αυτή την έκδοση πραγματοποιούνται διορθώσεις στο επίπεδο MAC με σκοπό τη βελτίωση του QoS. Στόχος είναι η διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών για εφαρμογές πραγματικού χρόνου που εκτελούνται πάνω σε ένα LAN ελαχιστοποιώντας ή μεγιστοποιώντας κριτήρια όπως η μέση καθυστέρηση από άκρο σε άκρο, η μέση μεταβολή της καθυστέρησης ή το μέσο ποσοστό επιτυχούς παράδοσης πλαισίων. Όποιος σταθμός εφαρμόζει το e, συνηθίζεται να αποκαλείται QoS σταθμός ή QSTA. Οι μηχανισμοί DCF και PCF αντικαθίστανται από τους μηχανισμούς EDCF (Enhanced DCF) και HCF (Hybrid Coordination Function). Ο πρώτος από αυτούς αναθέτει πρετεραιότητες στα πλαίσια δεδομένων ανάλογα με το πόσο χρονικά κρίσιμη είναι η παράδοση τους (τα μεγαλύτερα πλαίσια έχουν περισσότερες πιθανότητες να κερδίσουν στον ανταγωνισμό για τη πρόσβαση στο κοινό μέσο) ενώ ο μηχανισμός HCF περιορίζει το μέγιστο χρόνο δέσμευσης του καναλιού από ένα τερματικό f (2003): Η συγκεκριμένη έκδοση χειρίζεται το ζήτημα της διαλειτουργηκότητας μεταξύ των AP διαφορετικών κατασκευαστών. Εκτός από το να παρέχει επικοινωνία μεταξύ των WLAN σταθμών εντός της περιοχής του, ένα AP μπορεί να λειτουργεί και σαν γέφυρα σύνδεσης δυο LAN με ένα άλλο τύπο δικτύου όπως ένα ενσύρματο δίκτυο (π.χ Ethernet). Το πρότυπο αυτό διευκολύνει τη περιαγωγή μιας συσκευής από ένα AP σε ένα άλλο με σκοπό τη διασφάλιση της συνέχισης της επικοινωνίας h ( 2003): Στη περίπτωση αυτή έχουμε να κάνουμε με ζητήματα διαχείρισης φάσματος και ισχύος. Σκοπός είναι γίνουν συμβατά, τα προϊόντα του a, με τις Ευρωπαϊκές απαιτήσεις. Στην EU, ένα μέρος της ζώνης συχνοτήτων των 5 GHz, χρησιμοποιείται από το στρατό για δορυφορικές επικοινωνίες. Το πρότυπο περιλαμβάνει ένα μηχανισμό δυναμικής 47

64 Κεφάλαιο 2 Το Πρότυπο επιλογής καναλιού (Dynamic Channel Selection-DCS) για να διασφαλίσει ότι δεν θα επιλεχθεί το απαγορευμένο κομμάτι της ζώνης συχνοτήτων. Επίσης περιλαμβάνει ένα μηχανισμό ελέγχου ισχύος μετάδοσης (Τransmit Power Control-TCP) για τη ρύθμιση της ισχύος στις Ευρωπαϊκές απαιτήσεις i (2004 draft): Το πρότυπο αυτό μελετά θέματα που έχουν να κάνουν με το προσδιορισμό μηχανισμών ασφαλείας και πιστοποίησης στα ασύρματα δίκτυα, στο επίπεδο MAC. Καθώς στη πορεία του χρόνου το WEP αποδείχθηκε αναξιόπιστο, η ομάδα εργασίας της IEEE για το i, ανέπτυξε την επέκταση αυτή του προτύπου και κατέληξε στο WPA, το οποίο είναι ένα σύνολο μηχανισμών ασφαλείας και που επίλυσε πολλές από τις αδυναμίες του WΕP, ενώ ακόμα πιο βελτιωμένο είναι το WPA2, με το i να κάνει χρήση δυνατότερων μηχανισμών κρυπτογράφησης,όπως η AES (Advanced Encryption Standard) k (2008): Πρόκειται για έκδοση στην οποία προσδιορίζονται βελτιώσεις γύρω από τις μετρήσεις ραδιο-πόρων για την παροχή μηχανισμών σε υψηλότερα επίπεδα για μτερήσεις δικτύου και ραδιο-μετρήσεις, με σκοπό τη διαχείριση και διατήρηση ενός WLAN, βελτιώνοντας τον τρόπο με τον οποίο διανέμεται η κίνηση μέσα σε ένα δίκτυο. Συμπεράσματα Το Πρότυπο που δημιουργήθηκε από την IEEE και στη συνέχεια με την εμπορική ονομασία Wi-Fi πέρασε στη καθημερινοτητα εκατομμυρίων χρηστών, είναι η αιχμή του δόρατος στις καθημερινές ασύρματες επικοινωνίες και μια από τις δημοφιλέστερες τεχνολογίες των τελευταίων ετών. Εξελίχθηκε σταδιακά τα τελευταία 15 χρόνια και σήμερα συνεχίζει να εξελίσεται δυναμικά με την συνεχή βελτίωση των διάφορων παραμέτρων του. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές μετάδοσης και κωδικοποίησης, ενίσχυσε σημαντικές παραμέτρους του όπως για παράδειγμα η εμβέλεια κάλυψης του, ο αριθμός των χρηστών που μπορούν να εξυπηρετηθούν και η ταχύτητα του. Διαθέτει λειτουργίες για βελτιωμένη διαχείριση φάσματος και μπορεί να λειτουργεί σε διάφορες μορφές δικτύου, είτε με παρουσία σταθμού βάσης μέσα στη κυψέλη, είτε με την απουσία αυτού. Επίσης, κομβικός είναι και ο τομέας της ασφάλειας του προτύπου, όπου με χρήση νέων μεθόδων πιστοποίησης ταυτότητας ενός χρήστη, επιτυγχάνονται πλέον υψηλότερα επίπεδα προστασίας από κακόβουλες επιθέσεις, διορθώνοντας τις αρχικες του αδυναμίες. Αυτή τη περίοδο, νέες εκδόσεις του προτύπου βρίσκονται σε στάδιο δοκιμών από τις διάφορες ομάδες της IEEE, σηματοδοτώντας τη σπουδαιότητα που έχει αποδοθεί στην εξέλιξη του από την επιστημονική κοινότητα και του γενικότερου ρόλου που διαδραματίζει στη περαιτέρω εξέλιξη των ασύρματων επικοινωνιών. 48

65 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Δίαδοσης Εσωτερικών Χώρων Εισαγωγή Διαδικασία Πειραματικών Μετρήσεων-Συμπεράσματα Η διάδοση της ηλεκτομαγνητικής ακτινοβολίας σε εσωτερικό περιβάλλον, είναι ζήτημα κομβικό κατά τη μελέτη της συμεπριφοράς του προτύπου που εξετάσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Ένα τέτοιο περιβάλλον χαρακτηρίζεται από φαινόμενα διαλείψεων και παραγόντων που εξασθενούν σημαντικά το λαμβανόμενο σήμα. Ως εκ τούτου, τόσο η κατανόηση των μηχανισμών διάδοσης και των παραγόντων που προκαλούν απώλειες ισχύος μέσα στο ασύρματο κανάλι, όσο και των θεωρητικών μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί και προβλέπουν κατά το δυνατόν, τις απώλειες αυτές, λαμβάνοντας υπόψιν παραμέτρους που έχουν να κάνουν ακριβώς με το ίδιο το εσωτερικό περιβάλλον, είναι θέματα που μελετώνται αναλυτικά στο παρόν κεφάλαιο. 3.1 Mηχανισμοί διάδοσης Σε ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα, το ασύρματο κανάλι αποτελεί δομικό στοιχείο και ως εκ τούτου η κατανόηση της φύσης του και των διάφορων μηχανισμών του, είναι κεντρικής σημασίας για το σχεδιασμό ολόκληρου του συστήματος. Μιλώντας για το ασύρματο κανάλι, είναι προφανές ότι αναφερόμαστε στον ελεύθερο χώρο και στα χαρακτηριστικά που τον διέπουν. Υπάρχουν δύο τρόποι να μεταφερθεί το κύμα μέσω του ελεύθερου χώρου: Mε οπτική επαφή (Line Of Site-LOS) Χωρίς οπτική επαφή (Νone Line Of Site-NLOS ή Obstructed Line Of Site-OLOS) Η περίπτωση της ζεύξης οπτικής επαφής (LOS) είναι σχετικά απλή και κατανοητή, όμως στη περίπτωση που δεν υφίσταται τέτοια ζεύξη και παρεμβάλλονται εμπόδια κατά τη διάδοση του σήματος, τότε υπάρχουν μηχανισμοί που περιγράφουν τη διάδοση αυτή. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι οι εξής: Ανάκλαση Όταν ένα RF σήμα που διαδίδεται σε ένα μέσο, προσπίτει σε μια ομαλή επιφάνεια με διαστάσεις πολύ μεγαλύτερες συγκρινόμενες με το μήκος κύματος του προσπίπτοντος κύματος, τότε αυτό ανακλάται και διαδίδεται μερικώς. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η ανάκλαση των κύματων που χρησιμοποιούνται από το , με αντίστοιχα μήκη κύματος 5cm (για την ζώνη συχνοτήτων 5GHz U-NII) και 13cm (για τη ζώνη συχνοτήτων 2.4 GHz ISM), όταν αυτά προσπίπτουν σε αντικείμενα μεγαλύτερα απο 5cm και 13cm αντίστοιχα. Τέτοια αντικείμενα είναι οι μεταλλικές οροφές, οι επικαλύψεις τοίχων με μέταλλο ή αλουμίνιο, τα ασανσέρ και άλλα μεγαλύτερα και λεία αντικείμενα. Είναι εύκολα αντιληπτό πως τα ανακλώμενα σήματα είναι συνήθως εξασθενημένα μετά την ανάκλαση, λόγω της απορρόφησης ενέργειας από το υλικό. 49

66 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Μαθηματικά, ένα πολωμένο κύμα μπορεί να αναπαρασταθεί σαν άθροισμα δύο ορθογώνιων συνιστωσών, όπως μια κάθετης και μιας παράλληλης ή δεξιά και αριστερά κυκλικά πολωμένων συνιστωσών. Στην εικόνα 3.1 φαίνεται η περίπτωση πρόσπτωσης σε ένα μέσο, υπό γωνία θ i για παράλληλη και κάθετη πόλωση. Μέρος της ενέργειας ανακλάται πίσω στο πρώτο μέσο (υπο γωνία θ i =θ r ) ενώ η υπόλοιπη ενέργεια διαδίδεται στο δεύτερο μέσο υπο γωνία θ t σύμφωνα με το νόμο του Snell, r1 r1sinθi= r2 r2sinθt Εικόνα 3.1: Ανάκλαση και διάθλαση ενός κύματος που προσπίπτει σε λεία επιφάνεια μεταξύ δύο μέσων με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στη περίπτωση τέλειου αγωγού δεν υπάρχει διαθλώμενη συνιστώσα, συνεπώς όλη η ενέργεια επιστρέφει στο πρώτο μέσο. Η ανάκλαση ενός RF σήματος φαίνεται στη παρακάτω εικόνα. 50

67 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Εικόνα 3.2: Ανάκλαση RF σήματος Περίθλαση Η περίθλαση συμβαίνει όταν ανάμεσα στο πομπό και στο δέκτη παρεμβάλλονται μεγάλα εμπόδια, όπως για παράδειγμα κτήρια, λόφοι κτλ. Τα δευτερεύοντα κύματα που προκύπτουν από αυτές τις ανωμαλίες στο ραδιο-μονοπάτι βρίσκονται παντού στο χώρο, ακόμα και πίσω από το εμπόδιο, συμβάλλοντας στην αύξηση της «στρέψης» των κυμάτων γύρω από το εμπόδιο, ακόμα και όταν δεν υπάρχει απευθείας οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη. Παρόλο που η λαμβανόμενη ισχύς του πεδίου μειώνεται δραματικά καθώς ο δέκτης κινείται βαθύτερα στη «σκιασμένη» περιοχή, το πεδίο της περίθλασης υφίσταται ακόμα και μάλιστα συχνά διαθέτει ικανή ισχύ ώστε να παράγει ένα χρήσιμο (ή ανεπιθύμητο σε άλλες περιπτώσεις) σήμα. Το φαινόμενο της περίθλασης μπορεί να εξηγηθεί από την αρχή του Huygen, σύμφωνα με την οποία όλα τα σημεία μια ομοφασικής επιφάνειας του κύματος μπορούν να θεωρηθούν σημεία-πηγές δευτερευόντων σφαιρκών κυμάτων τα οποία συνδυάζονται ώστε να παραχθεί μια νέα ομοφασική επιφάνεια στη διεύθυνση της διάδοσης. Η περίθλαση είναι το αποτέλεσμα της διάδοσης όλων αυτών των δευτερευόντων κυμάτων στη διεύθυνση της διάδοσης. Το συνολικό πεδίο του περιθλόμενου κύματος στη σκιασμένη περιοχή, είναι το διανυσματικό άθροισμα των συνιστωσών του ηλεκτρικού πεδίου των μεμονωμένων δευτερευόντων κυμάτων. Έχει επιβεβαιωθει το γεγονός πως το φαινόμενο της περίθλασης εκδηλώνεται πιο έντονα όταν το αντικείμενο είναι πιο αιχμηρό, προσομοιάζοντας τη «κόψη του μαχαιριού» (knife edge diffraction). Για ένα ραδιο σήμα, η κορυφογραμμή ενός βουνού, μπορεί να αποτελέσει μια τέτοια αιχμηρή άκρη, ενώ ένας πιο στρογγυλεμένος λόφος, δε θα μπορούσε να παράγει ένα τέτοιο φαινόμενο. Εξίσου σημαντικό είναι και γεγονός ότι έχει παρατηρηθεί πως τα σήματα χαμηλής συχνότητας περιθλόνται αισθητά περισσότερο από τα σήματα υψηλής συχνότητας. Γι αυτό ακριβώς το λόγο, τα σήματα στη ζώνη των μακρο-κυμάτων (long wave band), είναι ικανά να προσφέρουν κάλυψη ακόμα και σε ένα λοφώδες ή ορεινό έδαφος, σε αντίθεση με τα σήματα στη ζώνη των VHF ή και υψηλότερα, που αδυνατούν. 51

68 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Εικόνα 3.3: Περίθλαση RF σήματος Σκέδαση Σκέδαση πραγματοποιείται όταν το μέσο, διαμέσω του οποίου οδεύει ή με το οποίο αλληλεπιδρά το κύμα, αποτελείται από αντικείμενα των οποίων οι διαστάσεις είναι αντίστοιχες ή και μικρότερες, σε σχέση με το μήκος κύματος. Τα σκεδασμένα κύματα παράγονται λόγω τραχείων επιφανειών, μικρών αντικειμένων ή από άλλες ανωμαλίες του καναλιού. Πρακτικά, οι φωτεινοί σηματοδότες, το φύλλωμα, μεμονωμένα δένδρα, οι φανοστάτες ακόμα και η βροχή και η σκόνη, μπορούν να προκαλέσουν σκέδαση σε κινητό σύστημα ραδιο-επικοινωνιών. Συνεπώς, το πραγματικό λαμβανόμενο σήμα είναι συχνά διαφορετικό από αυτό που έχει προβλεφθεί από τα τα μοντέλα της διάδοσης ελευθέρου χώρου, της ανάκλασης και της περίθλασης ξεχωριστά. Αυτό συμβαίνει εξ αιτίας του γεγονότος πως όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα επενεργεί σε ένα μοναδικό αντικείμενο μικρό σε σύγκριση με το μήκος κύματος, σε μια τραχεία επιφάνεια ή σε έναν όγκο που περιέχει πολλά ξεχωριστά αντικείμενα (π.χ. κορμούς, κλαδιά και φύλλωμα σε ένα δάσος), τότε η ενέργεια διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις εξ αιτίας της σκέδασης, παρέχοντας έτσι πρόσθετη ενέργεια στον δέκτη. Αναλυτικές μέθοδοι για τη σκέδαση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υπάρχουν μόνο για πολύ λίγες αναγνωρισμένες τοπολογίες. Η υπολογιστική πολυπλοκότητα των αριθμητικών τεχνικών, οι οποίες είναι θεωρητικά ικανές να λύνουν προβλήματα σκέδασης με μια υποκειμενική ακρίβεια, αυξάνει πολύ γρήγορα αν το μέγεθος του προβλήματος αυξηθεί πέρα από κάμποσα μήκη κύματος. 52

69 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Εικόνα 3.4: Σκέδαση οφειλόμενη σε σχετικά μικρά αντικείμενα (σημειακοί σκεδαστές), τραχείες επιφάνειες και όγκους που περιέχουν διάφορα αντικείμενα. 3.2 Παράγοντες που επηρεάζουν τη διάδοση Σαν αποτέλεσμα των τριών παραπάνω μηχανισμών, η ασύρματη διάδοση χαρακτηρίζεται, γενικά, από τρία φαινόμενα: Απώλειες διαδρομής (path loss) Διαλείψεις λόγω πολλαπλών οδεύσεων (multipath fading) Σκίαση (Shadowing) Οι διαλείψεις χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας που είναι το φαινόμενο της σκίασης και τις διαλείψεις μικρής κλίμακας που οφείλονται στις πολλαπλές οδεύσεις. Στο σχήμα 3.5 παρουσιάζεται για τα τρία παραπάνω φαινομενα η ισχύς λήψης, σε dbm, ως συνάρτηση της απόστασης, σε λογαριθμική κλίμακα. Εικόνα 3.5: Διάγραμμα απεικόνισης των τριών ειδών διαλείψεων. 53

70 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Aπώλειες διαδρομής Γενικά, ο ακριβέστερος τρόπος για το συνολικό προσδιορισμό των απωλειών διάδοσης, σε οποιοδήποτε περιβάλλον διάδοσης, είναι να δυνατόν να πραγματοποιηθεί με την εφαρμογή των εξισώσεων του Maxwell, χρησιμοποιώντας οριακές συνθήκες οι οποίες εκφράζουν τα φυσικά χαρακτηριστικά των αντικειμένων που παρεμβάλλονται. Στην πραγματικότητα, ωστόσο, οι υπολογισμοί που απαιτούνται να γίνουν είναι ιδαίτερα περίπλοκοι και επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις, δεν είναι διαθέσιμες οι αναγκαίες παράμετροι. Για να ξεπεραστούν τα προβλήματα αυτά, έχουν αναπτυχθεί κατά καιρούς, διάφορες προσεγγίσεις, οι πιο γνωστές των οποίων χρησιμοποιούν τεχνικές αντιγράφων ακτινών. Η απλούστερη περίπτωση είναι αυτή των δύο ακτινών (two ray ground reflection model) όπου η διάδοση του σήματος περιγράφεται με μια απ ευθείας διαδρομή μεταξύ πομπού και δέκτη και μια ανακλώμενη στο έδαφος. Αναλυτικότερα μοντέλα που βασίζονται σε εμπειρικές μετρήσεις είναι ικανά να περιγράψουν ακόμα πολυπλοκότερα περιβάλλοντα διάδοσης όπου, οι συνθήκες που επικρατούν, δε μπορούν να περιγραφούν με τη χρήση των μοντέλων των ακτινών. Εικόνα 3.6: Το μοντέλο two ray ground reflection Μια άλλη τεχνική για τον υπολογισμό των απωλειών διαδρομής είναι η χρήση του μοντέλου διάδοσης σε ελεύθερο χώρο. Το μοντέλο διάδοσης σε ελεύθερο χώρο χρησιμοποιείται για να γίνει μια εκτίμηση της ισχύς του λαμβανόμενου σήματος όταν ο πομπός και ο δέκτης έχουν καθαρή, χωρίς εμπόδια, διαδρομή μεταξύ τους (LOS). Η λαμβανόμενη ισχύς σε ελεύθερο χώρο δίνεται από το νόμο του Friis: 2 PtG rgt P r (d) (1) 2 2 (4 ) d L Όπου, Pt είναι η εκπεμπόμενη ισχύς, Gt και Gr είναι τα κέρδη των κεραιών εκπομπής και λήψης αντίστοιχα, λ είναι το μήκος κύματος του σήματος, σε m, d είναι η απόσταση των κεραιών εκπομπής και λήψης, σε m, και L > 1 είναι ο παράγοντας απωλειών του συστήματος που δεν εξαρτάται από τη 54

71 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων διάδοση. Η εξίσωση του Friis δείχνει ότι η λαμβανόμενη ισχύς μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης πομπού δέκτη. Οι απώλειες διαδρομής ορίζονται ως η διαφορά, σε db, μεταξύ της ενεργής ισχύς εκπομπής προς λήψης, και για το μοντέλο ελεύθερου χώρου δίνονται από τη σχέση, P G G PL 10 log 10 log (db) (2) P 2 t t r 2 2 r (4 ) d Στην πραγματικότητα, οι μέσες απώλειες διαδρομής που εμφανίζονται στα ασύρματα κανάλια είναι αντιστρόφως ανάλογες με την απόσταση πομπού και δέκτη υψωμένη σε μια δύναμη p, όπου 2 p 4.Συνεπώς είναι πολύ πιο σημαντικές σε σχέση με τις απώλειες ελευθέρου χώρου, δηλαδή για p = 2. Επιπλέον παράγοντες που επηρεάζουν είναι τα ύψη των κεραιών, η συχνότητα λειτουργίας κ.α Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας-σκίαση Πέρα από τις απώλειες διαδρομής, ένα άλλο ζήτημα που επηρεάζει την ποιότητα του μεταδιδόμενου σήματος στο ασύρματο κινητό περιβάλλον είναι το φαινόμενο της σκίασης. Συγκεκριμένα, εάν ένα ράδιο-σήμα υπόκειται σε σκίαση, η ισχύς που λαμβάνεται στοδέκτη εμφανίζει σχετικά αργά μεταβαλλόμενες διακυμάνσεις. Στην Εικόνα 3.7, απεικονίζεται η λαμβανόμενη ισχύς του σήματος σε ένα ασύρματο τηλεπικοινωνιακό σύστημα σαν συνάρτηση της απόστασης. Στο σχήμα αυτό παρατηρούνται ξεκάθαρα οι γρήγορες διακυμάνσεις της ισχύς του σήματος όσο ο δέκτης κινείται, που οφείλονται στις διαλείψεις μικρής κλίμακας, και οι αντίστοιχες διακυμάνσεις που οφείλονται στις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας, όπου η τοπική μέση μεταβολή του σήματος πραγματοποιείται βαθμιαία. Γενικότερα, οι διακυμάνσεις στην ισχύ που οφείλονται στις διαλείψεις μεγάλης κλίμακας δημιουργούνται εξ αιτίας της παρεμπόδισης από μεγάλα αντικείμενα που υπάρχουν μεταξύ πομπού και δέκτη, πχ κτίρια, δέντρα, ανάγλυφο του εδάφους. Επίσης, οι διακυμάνσεις αυτές οφείλονται στις μεταβολές του σήματος από τις επιφάνειες ανάκλασης και τα αντικείμενα σκέδασης στα οποία προσπίπτει. Συνεπώς, εξαιτίας του γεγονότος ότι η περιοχή, το μέγεθος και οι διηλεκτρικές ιδιότητες των αντικειμένων παρεμπόδισης, όπως επίσης και οι μεταβολές του σήματος από τις σκεδάσεις και ανακλάσεις, είναι άγνωστες, χρησιμοποιούνται στατιστικά μοντέλα για το χαρακτηρισμό των διακυμάνσεων. 55

72 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Εικόνα 3.7: Διαλείψεις Μεγάλης και Μικρής Κλιμακας σε σχέση με την απόσταση Το πιο διαδεδομένο μοντέλο για την περιγραφή αυτών των διακυμάνσεων είναι η σκίαση lognormal. Αυτό το μοντέλο έχει επιβεβαιωθεί εμπειρικά ότι μοντελοποιεί επακριβώς τις διακυμάνσεις στη λαμβανόμενη ισχύ και για το εσωτερικό και για το εξωτερικό περιβάλλον διάδοσης. Στο μοντέλο σκίασης log-normal ο λόγος εκπεμπόμενης προς λαμβανόμενης ισχύς, Pt P r, ϑεωρείται ότι είναι τυχαίος και ακολουθεί την κατανομή log-normal που δίνεται από (10log( ) ) 2 db p( ) exp, ψ 0 (3) db db όπου 10 ln10, db είναι η μέση τιμή του db 10log( ) σε db και db είναι η τυπική απόκλιση (standard deviation) του db σε db. Σε εμπειρικές μετρήσεις το db είναι ίσο με τις εμπειρικές απώλειες διαδρομής, μιας και η μέση διακύμανση εξαιτίας της σκίασης έχει ήδη ενσωματωθεί στις μετρήσεις. Σε αναλυτικά μοντέλα το db πρέπει να ενσωματώνει και τις μέσες διακυμάνσεις εξαιτίας εμποδίων. Η (3) περιγράφει τα τυχαία ϕαινόμενα σκίασης τα οποία εμφανίζονται σε μετρήσεις όταν η απόσταση πομπού και δέκτη παραμένει σταθερή και μεταβάλλονται τα εμπόδια που υπάρχουν μεταξύ τους. Στο ϕαινόμενο αυτό, γνωστό και ως διαλείψεις μεγάλης κλίμακας, τα μετρούμενα επίπεδα του σήματος, σε db, σε μια δεδομένη απόσταση, ακολουθούν την κατανομή του Gauss. 56

73 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Διαλείψεις μικρής κλίμακας-φαινόμενο Πολλαπλής Διαδρομής Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας είναι οι μικρές διακυμάνσεις που παρατηρούνται στο πλάτος, τη ϕάση και τις χρονικές καθυστερήσεις των ραδιοσημάτων σε μια μικρή απόσταση ή περίοδο του χρόνου. Οι διαλείψεις αυτές οφείλονται σε παρεμβολές μεταξύ δύο ή περισσοτέρων εκδοχών του εκπεμπόμενου σήματος οι οποίες λαμβάνονται στο δέκτη σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Στην Εικόνα 3.8, απεικονίζονται οι γρήγορες διακυμάνσεις του πλάτους των διαλείψεων σαν συνάρτηση του χρόνου. Εικόνα 3.8: Διαλείψεις Μικρής Κλίμακας στο χρόνο Υπάρχουν πολλοί ϕυσικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις διαλείψεις μικρής κλίμακας σε ένα ασύρματο κανάλι διάδοσης. Οι πιο σημαντικοί είναι : Διάδοση πολλαπλής διαδρομής: Οι μηχανισμοί διάδοσης των κυμάτων έχουν σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία πολλαπλών εκδοχών του εκπεμπόμενου σήματος, οι οποίες λαμβάνονται στην κεραία λήψης, μετατοπισμένες στο χωρικό και χρονικό προσανατολισμό. Τα διαφορετικά αυτά κύματα πολλαπλής διαδρομής έχουν τυχαίο πλάτος και ϕάση, δημιουργώντας έτσι διακυμάνσεις στην ισχύ των σημάτων και συνεπώς διαλείψεις μικρής κλίμακας. Κίνηση του κινητού: Η σχετική κίνηση μεταξύ του σταθμού βάσης και ενός κινητού δέκτη επιφέρει τυχαία μεταβολή της συχνότητας εξαιτίας των διαφορετικών μετατοπίσεων Doppler των κυμάτων πολλαπλής διαδρομής. Η μετατόπιση Doppler μπορεί να είναι ϑετική ή αρνητική ανάλογα με το αν ο κινητός δέκτης πλησιάζει ή απομακρύνεται από το σταθμό βάσης. Κίνηση των αντικειμένων του περιβάλλοντος: Η κίνηση των αντικειμένων σε ένα ασύρματο κανάλι επιφέρει μια χρονικά μεταβαλλόμενη μετατόπιση Doppler στα κύματα πολλαπλής διαδρομής. Η κίνηση των αντικειμένων του περιβάλλοντος λαμβάνεται υπόψη όταν είναι 57

74 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων μεγαλύτερη από την ταχύτητα του κινητού δέκτη, αλλιώς μπορεί να αγνοηθεί και να εξεταστεί μόνο η ταχύτητα του δέκτη. Εύρος ζώνης εκπομπής του σήματος: Εάν το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου ράδιοσήματος είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης του καναλιού πολλαπλής διαδρομής, το λαμβανόμενο σήμα ϑα παραμορφωθεί αλλά οι διαλείψεις μικρής κλίμακας δεν ϑα είναι σημαντικές. Εάν το εκπεμπόμενο σήμα έχει μικρότερο εύρος ζώνης σε σύγκριση με εκείνο του καναλιού, το πλάτος του σήματος ϑα μεταβάλλεται γρήγορα αλλά το σήμα δεν ϑα παραμορφώνεται στο χρόνο. Εικόνα 3.9: Πολλαπλές διαδρομές: α) Εξαιτίας ιονοσφαιρικών σκεδάσεων, β) Σε εσωτερικούς χώρους και γ) Σε εξωτερικούς χώρους. Στην εικόνα 3.9, δίνονται παραδείγματα ασύρματων καναλιών στα οποία εμφανίζονται διαλείψεις πολλαπλής διαδρομής. Στο σχήμα αυτό παρουσιάζονται οι πολλαπλές διαδρομές εξαιτίας: α) της ιονοσφαιρικής σκέδασης, β) πολλαπλών ανακλάσεων και διαφορετικών διαδρομών σε μια περιοχή εσωτερικού χώρου, και γ) διαφορετικών ανακλάσεων, σκεδάσεων σε μια περιοχή εξωτερικού χώρου. Εξαιτίας των μηχανισμών διάδοσης που περιγράφτηκαν στην ενότητα 3.1, ένα ράδιο-σήμα το οποίο διαδίδεται σε ένα ασύρματο κινητό κανάλι επηρεάζεται από διαφορετικά είδη διαλείψεων 58

75 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων ανάλογα με τις παραμέτρους του σήματος (εύρος ζώνης, περίοδος συμβόλου) και τα χαρακτηριστικά του καναλιού (εξάπλωση καθυστέρησης, delay spread, εξάπλωση Doppler). Για παράδειγμα, όταν το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου σήματος Bs είναι μεγαλύτερο από το εύρος ζώνης συμφωνίας (coherence bandwidth) του καναλιού Bc, τότε έχουμε συχνοεπιλεκτικές διαλείψεις (frequency selective), αλλιώς έχουμε επίπεδες διαλείψεις (flat fading). Αντίστοιχο του Bc στο πεδίο της συχνότητας είναι η εξάπλωση καθυστέρησης σ τ στο πεδίο του χρόνου. Επίσης, εάν η χρονική διάρκεια ενός συμβόλου Ts είναι μεγαλύτερη από το σύμφωνο χρόνο ενός καναλιού Tc, τότε έχουμε γρήγορες διαλείψεις ( fast fading ), διαφορετικά έχουμε αργές διαλείψεις (slow fading). Το αντίστοιχο του Tc στο πεδίο του χρόνου είναι η εξάπλωση Doppler (Doppler spread) Bd, στο πεδίο της συχνότητας. 3.3 Μοντέλα διάδοσης εσωτερικού χώρου Η διάδοση σήματος σε εσωτερικούς χώρους είναι κεντρικής σημασίας για τη λειτουργία WLAN s, ασυρμάτων τηλεφώνων και άλλων συστημάτων εσωτερικών χώρων που στηρίζονται σε RF συστήματα τηλεπικοινωνιών. Τα περιβάλλοντα κλειστού χώρου είναι αρκετά διαφορετικά από τα αντίστοιχα ανοικτού χώρου και σε πολλές περιπτώσεις πολύ πιο «εχθρικά». Η μοντελοποίηση της διάδοσης κλειστών χώρων περιπλέκεται από τη μεγάλη ποικιλία των κτιρίων καθώς και των υλικών που συναντάμε μέσα σε αυτά. Επιπλέον, το περιβάλλον μπορεί να αλλάξει ανα πάσα στιγμή λόγω της μετακίνησης επίπλων, κλεισίματα πορτών αλλα και από την απλή κίνηση των ανθρώπων μέσα στο χώρο. Για το λόγο αυτό, συνήθως δεν χρησιμοποιούνται ντετερμινιστικά μοντέλα αλλά στη θέση τους έχουμε τα εμπειρικά μοντέλα τα οποία, σε συνδυασμό με τα κατάλληλα δεδομένα, μας δίνουν μια λογική αναπαράσταση (από πλευράς στάθμης ισχύος) του υπό μελέτη περιβάλλοντος. Τα βασικά χαρακτηριστικά ενός περιβάλλοντος κλειστού χώρου, που το ξεχωρίζουν συνήθως από ένα περιβάλλον εξωτερικού χώρου είναι ότι: Η πολυόδευση είναι συνήθως σημαντική. Είναι πιθανόν να μην υπάρχει LOS μονοπάτι και τα χαρακτηριστικά του χώρου μπορεί να αλλάξουν δραστικά σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Οι αποστάσεις τείνουν να είναι συνήθως μικρές, της τάξης των 100 μέτρων και κάτω. Τοίχοι, πόρτες, έπιπλα και άνθρωποι προκαλούν σημαντικές απώλειες στο σήμα. Έτσι συμπεραίνουμε ότι το Path Loss σε έναν κλειστό χώρο αλλάζει δραματικά στο χρόνο λόγω της ισχυρής πολυόδευσης και των παραγόντων που αναφέραμε πιο πάνω. Επίσης δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι οι πολλαπλές ανακλάσεις στο χώρο μπορεί να προκαλέσουν delay spread καθώς και μερική εξασθένιση του σήματος (signal fading). Λόγω της μη ύπαρξης του LOS μονοπατιού, όπως ήδη αναφέραμε, η διάδοση στηρίζεται και εξαρτάται από την ανάκλαση, τη διάθλαση, τη διείσδυση (penetration) και σε μικρότερο βαθμό τη σκέδαση (scattering) του σήματος. Σε συνδυασμό με την εξασθένιση τα φαινόμενα αυτά το καθένα από μόνο του αλλά και σε συνδυασμό, μπορούν να ελαττώσουν την ισχύ ενός σήματος. Τα Delay και Doppler spread, είναι λιγότερο σημαντικά σε έναν κλειστό χώρο λόγω των κατά πολύ μικρότερων αποστάσεων και των χαμηλών ταχυτήτων κίνησης των φορητών δεκτών σε σύγκριση με έναν εξωτερικό χώρο. Παρόλα αυτά, το πλεονέκτημα αυτό αναιρείται, διότι οι περισσότερες εφαρμογές για 59

76 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων τους κλειστούς χώρους χαρακτηρίζονται από ευρυζωνικότητα, οπότε παρουσιάζουν και μεγαλύτερη ευαισθησία σε delay spread. Επίσης, μπορεί να έχουμε φαινόμενα αποπόλωσης, τα οποία οδηγούν σε απώλειες πόλωσης στο δέκτη μας. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας της ασύρματης διάδοσης σήματος σε έναν κλειστό χώρο, ο οποίος πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν, είναι το φαινόμενο της παρεμβολής. Σε αντίθεση με τα περιβάλλοντα εξωτερικού χώρου, όπου οι υπό μελέτη αποστάσεις είναι πολύ μεγάλες, σε έναν κλειστό χώρο είναι πιθανό, για την ακρίβεια συνηθισμένο, να υπάρχει ένα σύστημα το οποίο να λειτουργεί λιγα μέτρα ή και λιγότερο δίπλα από το σύστημα που μελετάμε και να παρεμβαίνει σε αυτό. Ένα τυπικότατο παράδειγμα είναι ένας υπολογιστής με μια ασύρματη κάρτα δικτύου (LAN card) ο οποίος ταυτόχρονα χρησιμοποιεί και ένα ασύρματο mouse ή keyboard. Το ασύρματο ποντίκι και το πληκτρολόγιο κατά πάσα πιθανότητα θα δουλεύουν σε μια περιοχή συχνοτήτων της ταξης των 2.4 GHz (Bluetooth standard). Η κάρτα δικτύου, εάν χρησιμοποιεί πρωτόκολλο b ή g [ direct sequence spread spectrum (DSSS) ή orthogonal frequency division multiplexing (OFDM)], τότε θα λειτουργεί στην ίδια μπάντα συχνοτήτων με το ασύρματο πληκτρολόγιο και ποντίκι και η πιθανότητα παρεμβολής θα υπάρχει. Επίσης, ένας υπολογιστής έχει πολλά εσωτερικά ψηφιακά ρολόγια που λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες τα οποία μπορεί να πέσουν στη μπάντα συχνοτήτων του συστήματος. Μια οθόνη μπορεί ως επίσης να προκαλέσει παρεμβολή. Καταλαβαίνουμε, λοιπόν, ότι σε συστήματα εσωτερικών χώρων για προβλήματα στη ζεύξη είναι περισσότερο ζητήματα παρεμβολής, παρά διάδοσης του σήματος. Καμιά φορά το να τοποθετήσουμε μια συσκευή σε λίγο διαφορετικό σημείο ίσως να είναι μια κίνηση που θα έλυνε το πρόβλημα. Η επίδραση των παρεμβατικών συσκευών μπορεί να εκτιμηθεί υπολογίζοντας το λόγο σήματος προς παρεμβολή στο δέκτη που μας ενδιαφέρει (αναφέρεται ως victim receiver στη βιβλιογραφία). Σε γενικές γραμμές ο λόγος σήματος προς παρεμβολή θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίδιος με το λόγο σήματος προς θόρυβο για αποδεκτή λειτουργία. Υπάρχουν δύο γενικοί τύποι μοντέλων διάδοσης για εσωτερικούς χώρους : Συγκεκριμένου χώρου (site-specific): Χρειάζονται λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη διάρθρωση του κτιρίου, τη φύση των υλικών, των επίπλων και τις θέσεις των πομποδεκτών μέσα στο χώρο. Γίνεται χρησιμοποιώντας ray-tracing τεχνικές σε ένα CAD πρόγραμμα. Για μεγάλης κλίμακας στατικά περιβάλλοντα η προσέγγιση αυτή μπορεί να είναι εφικτή. Όμως, στις περισσότερες περιπτώσεις η γνώση που έχουμε για στο κτίριο σε κάθε όροφο και κυρίως για τα υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι περιορισμένη και το περιβάλλον όπως είπαμε και πιο πάνω δεν είναι στατικό αλλά μεταβαλλόμενο ανα πάσα χρονική στιγμή. Έτσι, η τεχνική αυτή δεν εφαρμόζεται συνήθως. Γενικού χώρου (site-general): Τα μοντέλα γενικού χώρου μας δίνουν χονδρικές στατιστικές προβλέψεις για το Path Loss, προκειμένου να σχεδιαστεί η ζεύξη και είναι χρήσιμα εργαλεία για έναν αρχικό σχεδιασμό του ασύρματου συστήματος εσωτερικού χώρου. Κατόπιν ακολουθούν, υπό μορφή πίνακα, ορισμένα από τα RF μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την κάλυψη εσωτερικών χώρων. Μετά τον πίνακα ακολουθούν οι περιγραφές των μοντέλων που αναφέρονται σε αυτόν. 60

77 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων ΜΟΝΤΕΛΑ Το μοντέλο Ελεύθερου Χώρου ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Το μοντέλο ελεύθερου χώρου αποτελεί τα βασικό θεωρητικό μοντέλο για τον υπολογισμό της απώλειας οδεύσεως. Θεωρούμε ιδανική περιοχή χωρίς γεωγραφικούς περιορισμούς και εμπόδια. Αποτελεί μοντέλο αναφοράς για όλα τα υπόλοιπα. Το One-Slope μοντέλο To μοντέλο αυτό υποθέτει μια γραμμική σχέση μεταξύ του Path Loss και της λογαριθμικής απόστασης. Tο Log-Distance Path Loss μοντέλο Η απώλεια οδεύσεως υπολογίζεται αναλογικά με το λογάριθμο της απόστασης. Προκειμένου να αυξηθεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία του μοντέλου, εισάγεται ένας παράγοντας στον τύπο του μοντέλου που εκφράζει τα φαινόμενα τυχαίας σκίασης. Ray Tracing Μοντέλο πολλών επιβατικών ακτίνων, χρήσιμο τόσο για outdoor όσο και για indoor propagation. Όσο πιο πολλές ακτίνες χρησιμοποιούμε στην προσομοίωση, τόσο πιο αξιόπιστο καθίσταται το μοντέλο. Συνήθως γίνεται χρήση 8 επιβατικών ακτίνων. Το ITU Path Loss μοντέλο Πρόκειται για μοντέλο που στηρίζεται στην απώλεια ισχύος σε σχέση με την απόσταση πομπού-δέκτη και τη συχνότητα λειτουργίας χρησιμοποιώντας επιπλέον δείκτες για τον αριθμό των πατωμάτων. To μοντέλο Multi wall and floor Το μοντέλο Motley-Keenan Το μοντέλο αυτό, υπολογίζει το αυξανόμενο Path Loss ανάλογα με τον αριθμό και το είδος των επιπέδων που διαπερνά το σήμα. Αποτελεί πρώιμη μορφή του ανωτέρου. Υπολογίζει τις απώλειες διείσδυσης από πατώματα και τοίχους ανάλογα με το υλικό και το πάχος τους, θεωρώντας τα σταθερά, χωρίς να μας ενδιαφέρει αν έχουν, προηγηθεί άλλοι τοίχοι ή πατώματα. Πίνακας 3.1: Τα δημοφιλέστερα μοντέλα διάδοσης σε εσωτερικούς χώρους 61

78 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Μοντέλο του ελευθέρου χώρου Παρόλο που το μοντέλο του ελευθέρου χώρου δεν είναι το κυρίαρχο μοντέλο διάδοσης σε εσωτερικούς χώρους λόγω της ιδιομορφίας τους, εντούτοις οφείλουμε να κάνουμε μια σύντομη ανάλυση του λόγω της μεγάλης σπουδαιότητας του γενικότερα. Ας υποθέσουμε ένα σήμα το οποίο μεταδίδεται στον ελεύθερο χώρο μέχρι ένα δέκτη, ο οποίος βρίσκεται σε μια απόσταση d από τον πομπό. Η υπόθεση αυτή επιβάλλει, προφανώς, να μην υπάρχουν εμπόδια και το σήμα μεταδίδεται σε ευθεία γραμμή ανάμεσα στις δύο συσκευές. Το μοντέλο του καναλιού αυτού που σχετίζεται με τη μετάδοση ονομάζεται LOS (Line of Sight) ή LOS ακτίνα. Το λαμβανόμενο σήμα, λοιπόν, για μετάδοση στον ελεύθερο χώρο είναι το ακόλουθο : Ge j2 d l 2 fct r t { u t e } (4) 4 d όπου το Gl είναι το γινόμενο κατευθυντικότητας των κεραιών εκπομπής και λήψης (είναι ίσο με 1 για πανκατευθυντικές κεραίες). Η διαφορά φάσης e είναι λόγω της απόστασης d που «ταξιδεύει» το σήμα. Η ισχύς του εκπεμπόμενου σήματος s(t) είναι P και άρα ο λόγος λαμβανόμενης t προς εκπεμπόμενης ισχύος θα είναι : j2 d Pr P 4 t G d l 2 (5) Όπου, Pt η ισχύς εκμποπής Pr η λαμβανόμενη ισχύς λ το μήκος κύματος f η συχνότητα d η απόσταση μεταξύ των κεραιών c η ταχύτητα του φωτός (3 X 10 8 m/s) Έτσι, το λαμβανόμενο σήμα πέφτει αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης ανάμεσα στις κεραίες εκπομπής και λήψης. Επίσης, το λαμβανόμενο σήμα είναι ανάλογο με το τετράγωνο του μήκους κύματος, έτσι μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι όταν η συχνότητα εκπομπής μεγαλώνει για δεδομένη απόσταση η λαμβανόμενη ισχύς μειώνεται. 62

79 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Η λαμβανόμενη ισχύς σε dbm μπορεί να εκφραστεί ως : Pr dbm PdBm t 10log10 Gl 20log10 20log log10 d (6) Συνεπώς, οι απώλειες ελευθέρου χώρου (Free Space Loss-FSL) λοιπόν ορίζονται ως το Path Loss του μοντέλου ελευθέρου χώρου : P G P db 10log 10log (7) 2 t l L P 2 r (4 d) Και αντιστοίχως το Path Gain του μοντέλου ορίζεται ως: 2 Gl PG PL 10log 10 (8) 2 (4 d) Για πανκατευθυντικές κεραίες όπου G l 1, P P 10log 20log 20log t LdB 10log10 P r 10 2 (4 d) 10 2 (4 d) 10 2 (4 d) 4 fd 20log10 20log 10( ) 20log 10(d) 21.98dB 20log 10( ) 20log 10(d) c dB (9) και για τη συχνότητα των 2.4 GHz, έχουμε: PL log10 d (10) 63

80 Κεφάλαιο 3 Μοντέλα Διάδοσης Εσωτερικών Χώρων Εικόνα 3.10: Απώλειες στο μοντέλο ελευθέρου χώρου συναρτήσει της απόστασης για διαφορετικές συχνότητες Μοντέλο One Slope Τα πρώτα μοντέλα για μετάδοση σε εσωτερικους χώρους (για εξασθένηση μεγάλης κλίμακας) στηρίζονται σε απλά μοντέλα όπου ο εκθέτης για το Path Loss υπολογίζεται για όλο το φαινόμενο της διάδοσης.ένα παράδειγμα είναι το one-slope μοντέλο οπου ο τύπος για το PL τροποποιείται σε σχέση με το μοντέλο ελευθέρου χώρου και γίνεται: d PL(D) PL (d 0 ) 10n log10 ( 1) 1 d 0 Όπου, το PL(d 0 ) δείχνει το path loss σε μια απόσταση αναφοράς. Η απόσταση αναφοράς πρέπει να λαμβάνεται στο μακρινό πεδίο της κεραίας εκπομπής και τυπικά είναι 1 Km για εξωτερικού χώρου 64