CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

Dejan Nemec*, Univerzitet u Novom Sadu, Fakultet tehničkih nauka, Katedra za telekomunikacije i obradu signala

*denem@uns.ac.rs

SADRŽAJ

Bežične računarske mreže su sve prisutnije u poslovnom svetu i svetu rezidencijalnih korisnika. Upotreba IEEE 802.11n standarda u ovoj oblasti omogućava brzine prenosa koje se mere stotinama Mbit/s. 802.11n standard predstavlja novu generaciju iz serije 802.11 standarda koji se već desetak godina primenjuju u praksi. Kako se radi o kompleksnoj tehnologiji koja nadograđuje postojeće, neophodna je njena adekvatna primena. U prvom delu ovog rada objašnjeni su problemi koji se mogu pojaviti kada se implementira 802.11n mreža, a naročita pažnja je stavljena na probleme koji se javljaju prilikom nadogradnje neke od 802.11a/b/g mreža. Objašnjeni su aspekti koji se odnose na planiranje radio spektra i položaja tačaka za pristup, primenu tačaka za pristup kada se ostvaruje povezivanje na jezgro mreže i problemi napajanja tačaka za pristup. U drugom delu ovog rada nabrojane su i navedene osnovne karakteristike tehnologija koje bi u budućnosti trebalo da omoguće gigabitne brzine prenosa podataka u bežičnim mrežama, a predstavljaju nadogradnju 802.11n bežičnih mreža.

Ključne reči: WLAN, 802.11a/b/g/n, PoE, 802.11ac, 802.11ad, MU-MIMO, WiGig.

802.11n – part II: implementation and future

Dejan Nemec*, University of Novi Sad, Faculty of Technical Sciences, Telecommunications and Signal Processing Department

*denem@uns.ac.rs

ABSTRACT

Wireless networks are widely spread in the world of business and residential users. The use of the IEEE 802.11n standard in this field enables data transmission rates that can be measured in hundreds of Mbps. 802.11n is the next generation of the 802.11 series of standards that have been used for ten years now. Since this is a complex technology that upgrades the existing technology, adequate implementation is necessary. The first part of this paper explains the problems of the 802.11n network implementation, with particular emphasis on problems that occur in process of upgrading some of the 802.11a/b/g networks. It analyzes aspects related to the planning of the radio spectrum and location of access points, implementation of access points when connecting to the core network and the problems of powering the access points. The main characteristics of technologies, which represent the 802.11n wireless network upgrade, and which should enable gigabit data rates in wireless networks in the future, are listed in the second part of this paper.

Keywords: WLAN, 802.11a/b/g/n, PoE, 802.11ac, 802.11ad, MU-MIMO, WiGig.

1. UVOD

U [1], koji predstavlja I deo ovog rada opisan je proces razvoja 802.11 serije standarda i date su osnovne karakteristike 802.11n standarda koji se odnose na fizički nivo i nivo voda podataka (data link layer). Pored toga objašnjeni su načini kako se ostvaruje kompatibilnost sa prethodnim standardima i aspekti koji se odnose na štednju energije i sigurnost u 802.11n mrežama. 802.11n tehnologija ima potencijal da zameni Ethernet kao primarnu tehnologiju u LAN (Local Area Network) mrežama zbog toga što omogućava veći protok, veći ukupan kapacitet mreže i bolje pokrivanje područja u odnosu na prethodne 802.11 generacije. Međutim, uspešna implementacija zahteva pažljivo razmatranje nekoliko faktora koji nisu bili prisutni u prethodnim 802.11 sistemima. Recimo, korišćenje šireg kanala i povećan domet mogu nekada da izazovu više problema nego što bi trebalo da reše. Iz tog razloga je veoma bitno pravilno implementirati 802.11n mrežu. Drugo poglavlje ovog rada se bavi problemima koji se javljaju prilikom implementacije 802.11n mreža.

Iako su brzine koje 802.11n omogućava prilično velike i mogu da konkurišu nekim žičnim tehnologijama, zahtevi korisnika i aplikacija koje koriste su u stalnom porastu. Zbog toga je IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) oformio dve nove radne grupe (802.11ac i 802.11ad) koje imaju zadatak da razviju standarde koji bi omogućili prenos podataka brzinama od 1 Gbit/s do 7 Gbit/s. Pored toga, formirana je alijansa WiGig (Wireless Gigabit Alliance) koja, takođe, razvija standard za gigabitski prenos podataka i koja će svoj rad najverovatnije usaglasiti sa radom IEEE radnih grupa. O budućnosti WLAN (Wireless LAN) mreža će biti reči u trećem poglavlju ovog rada.

2. IMPLEMENTACIJA SISTEMA 802.11n

Ukoliko u kompaniji već postoji neka WLAN bazirana na 802.11a ili 802.11g standardu, postavlja se pitanje da li postoji potreba za prelazak na 802.11n sisteme. Svi korisnici žele da imaju veliki protok, veliku pouzdanost, veliki ukupan kapacitet mreže i malo kašnjenje u svojim mrežama. Neke aplikacije, kao što je recimo prenos govora preko WLAN mreža, VoWLAN (Voice over WLAN), su veoma osetljive na mali protok i veliko kašnjenje. Sa druge strane, postoje i WLAN mreže koje nisu maksimalno iskorišćene, recimo koriste samo 20% radio-frekvencijskog spektra. Ukoliko kompanija koristi WLAN mrežu samo za jednostavno prenošenje podataka, tada verovatno neće postojati potreba za nadogradnjom mreža 802.11n tehnologijom. Međutim, ukoliko u kompaniji postoji potreba za korišćenjem zahtevnih aplikacija u WLAN mrežama, tada treba razmotriti implementaciju 802.11n mreža.

Takođe, ukoliko se projektuje potpuno nova mreža za prostore gde uopšte ne postoji WLAN mreža, sasvim je sigurno da treba razmišljati o 802.11n standardu [2] kao prvoj opciji.

2.1. Planiranje radio-opsega

Jedna od prvih stvari koje treba razmotriti predstavlja odabir frekvencije koje će se koristiti za prenos podataka [3]. 802.11n može da radi u dva opsega, 2,4 i 5 GHz. Oba ova frekvencijska opsega koriste i neki drugi uređaji.

Frekvencijski opseg od 2,4 GHz je prilično “pretrpan” nekim drugim tehnologijama (Bluetooth, DECT, mikrotalasne pećnice i drugo) i nije širi od 100 MHz. Takođe, sistemi 802.11b i 802.11g rade u ovom opsegu. S obzirom na to da se 802.11n tehnologija koristi za unapređenje karakteristika mreže, treba razmotriti da li se u datom opsegu mogu iskoristiti sve prednosti koje 802.11n tehnologija nudi. Recimo, 802.11n može da koristi ista tri nepreklapajuća kanala širine 20 MHz kao i 802.11b i 802.11g.

Međutim, ukoliko se žele postići bolje performanse, povezivanje kanala može da bude rešenje, ali se postavlja pitanje da li se u nekoj sredini to može ostvariti u opsegu od 2,4 GHz. Ukoliko se povežu dva kanala širine 20 MHz u jedan širine 40 MHz, to znači da ostalim sistemima na raspolaganju ostaje još samo jedan kanal širine 20 MHz. Da bi se povezala dva kanala neophodno je obezbediti da se oni ne koriste od strane drugih sistema. To značajno smanjuje mogućnost povezivanja kanala u ovom opsegu. Čak i u slučaju da u sredini ne postoje uređaji 802.11b i 802.11g i da oni uopšte ne zauzimaju nijedan od tri kanala, pitanje je da li je moguće, zbog postojanja drugih uređaja, pronaći slobodan prostor od 40 MHz.

U opsegu od 5 GHz mnogo više frekvencijskog opsega i više kanala stoji na raspolaganju u odnosu na opseg od 2,4 GHz [4]. Veći broj kanala omogućava značajno jednostavnije planiranje implementacije 802.11n mreže, čak i ako se koristi tehnika povezivanja kanala. Tačka za pristup (AP – Access Point) koja funkcioniše u ovom opsegu može dinamički da menja kanale sve dok ne pronađe adekvatna dva kanala koja može da poveže i na taj način dozvoljava istovremeno postojanje sistema 802.11a, odnosno 802.11b i 802.11g u istoj sredini.

Postoje najmanje dva načina da se u opsegu od 5 GHz pređe na 802.11n standard [5]. Prvi način podrazumeva zamenu pojedinačnih starih AP tačaka 802.11n AP tačkama u skladu sa finansijskim mogućnostima i zahtevima korisnika. Ovaj postepen prelazak se može okončati u nekom planiranom periodu ili kada nastanu potrebe za tim. U ovom slučaju nova 802.11n AP tačka će raditi na kanalu na kojem je radila i stara AP tačka koju je zamenila. 802.11n AP tačka će raditi u mešovitom modu i podržavaće 802.11n klijente, kao i 802.11a klijente. Na kraju, kada se poslednja stara AP tačka zameni novom 802.11n AP tačkom i kada u mreži ne bude bilo starih klijenata, svi 802.11n uređaji se mogu podesiti da rade u Green Field modu.

Na 802.11n se može preći i tako što će stariji uređaji (AP tačke i mobilne stanice) osloboditi neki skup kanala koje će koristiti samo 802.11n uređaji. Kako budžet bude dozvoljavao, postavljaće se nove 802.11n AP tačke. To znači da će paralelno sa starim 802.11 sistemom u WLAN mreži funkcionisati i novi 802.11n sistem. Nove 802.11n AP tačke će tada podržavati samo 802.11n klijente, radiće u režimu Green Field i omogućavaće bolje performanse sistema. Na kraju, kada 802.11n AP tačke pokriju celokupno područje od interesa, tada će 802.11n klijenti moći u celom području da osete bolje performanse. Kada svi klijenti pređu na 802.11n, tada se mogu ukloniti stare AP tačke.

2.2. Uticaj na žičnu infrastrukturu (jezgro) mreže

Sa pojavom 802.11n standarda prvi put se mogu uporediti brzine žične infrastrukture (najčešće Ethernet-a) i bežične mreže. Brzine od nekoliko stotina Mbit/s koje 802.11n može da omogući su potpuno uporedive sa Ethernet, a naročito sa Fast Ethernet tehnologijom, koji može da zadovolji potrebe velikog broja korisnika, i koji ostvaruje brzinu od 100 Mbit/s. Bežični pristup LAN mreži se više ne može smatrati kao sporedan pristup mreži koji neće generisati veliki saobraćaj ka jezgru mreže. Sa usvajanjem 802.11n tehnologije, neophodno je obratiti pažnju i na karakteristike jezgra mreža (Slika 1.), odnosno da li jezgro mreže može da odgovori zahtevima koje pred njega postavljaju nove 802.11n AP tačke [6].

Da bi se uspešno prešlo na 802.11n tehnologiju, neophodno je razmotriti nekoliko pitanja. Ta pitanja uključuju sledeće:

• Kako će se 802.11n AP tačke povezati na jezgro mreže?
• Kako će se AP tačke napajati?
• Koje izmene u jezgru mreže se zahtevaju kako bi se podržale velike brzine koje 802.11n omogućava?

2.3. 802.11n AP tačke i jezgro mreže

Protokoli koji omoućavaju pouzdan prenos u bežičnim mrežama imaju veliki overhead i efektivan protok TCP (Transmission Control Protocol) saobraćaja je manji od brzine prenosa podataka. Recimo da je maksimalna brzina prenosa podataka u 802.11n sistemu 300 Mbit/s, tada se može očekivati maksimalan protok TCP saobraćaja od oko 150 Mbit/s (Tabela 1. prikazuje i neke druge odnose u zavisnosti od sistema).

Ukoliko se AP tačka konfiguriše da radi sa širinom kanala od 40 MHz u opsegu od 5 GHz i istovremeno da omogućava korisnicima 802.11g mreže da se povezuje u opsegu od 2,4 GHz korišćenjem kanala širine 20 MHz (dual-radio AP), tada će između AP tačke i jezgra mreže biti potrebna veza brzine od oko 220 Mbit/s, kako se ne bi na tom mestu formiralo usko grlo sistema. Ovako brza veza AP tačke i jezgra se može ostvariti Gigabit Ethernet linkom ili tehnikom agregacije Fast Ethernet linkova. To znači da ovi interfejsi moraju da postoje i na AP tački i u jezgru mreže. Na tržištu postoje AP tačke koje poseduju ove mogućnosti (Slika 2. prikazuje jedan primer).

Slika 2. 802.11n dual-radio 3x3 MIMO AP tačka sa dva 10/100/1000 Ethernet porta [7]

2.4. WLAN arhitekture na bazi kontrolera i 802.11n

Kako bi se omogućilo da WLAN bude tehnologija koje će se lako koristiti u poslovnom svetu (enterprise ready), razvijeni su WLAN kontroleri koji upravljaju radom mreže. Kontroleri su odgovorni za omogućavanje mobilnosti, ustanovljavanje politike korisnika i upravljaje radio resursima. U većini mrežnih arhitektura, kontroleri su odgovorni i za upravljanje tokovima podataka između klijenata. Mreže koje se zasnivaju na kontrolerima često se nazivaju overlay (preklopljene) mreže s obzirom na to da sav saobraćaj koji dolazi iz WLAN mreže ili je njoj namenjen mora proći kroz kontroler. Projektovanje i implementacija kontrolera u starim 802.11a/b/g tehnologijama bili su relativno laki s obzirom na to da maksimalna brzina ovih sistema nije prelazila 54 Mbit/s. Migracijom WLAN mreža ka velikim brzinama, dvostruko procesiranje (double switching) saobraćaja u kontrolerima utiče da i performanse jezgra mreže budu veće (Slika 3.) [6].

Slika 3. Tokovi podataka kada se koristi WLAN kontroler

Kontroleri obezbeđuju mnoge funkcije, s obzirom na toda se nalaze na putu prosleđivanja podataka kroz mrežu. Kontroleri mogu biti samostalni uređaji ili mogu biti u formi modula koji se instalira u okviru rutera ili sviča (Slika 4.). Implementacija funkcija sigurnosti za celu mrežu lakše se izvodi kao centralizovani proces koji se obavlja u kontroleru, ali to zahteva da mogućnosti kontrolera odgovaraju zahtevima cele današnje i neke buduće mreže. Sav saobraćaj od i ka svakom bežičnom klijentu mora da prođe kroz kontroler, a to znači da taj saobraćaj prelazi preko jezgra mreže dva puta: jednom kada ide od klijenta preko jezgra do kontrolera, a drugi put kada ga kontroler preko jezgra prosleđuje ka odredištu (slično je i kada postoji saobraćaj koji je namenjen klijentu, samo je smer toka obrnut). Sa porastom brzine prenosa podataka koju omogućuje 802.11n, raste i pritisak na kontroler i njegovu vezu sa jezgrom mreže. Mnogi kontroleri danas imaju više 10 Gbit/s Ethernet interfejsa kako bi mogli adekvatno da procesiraju saobraćaj 802.11n klijenata.

Slika 4. Primeri samostalnog bežičnog kontrolera i modula bežičnog kontrolera proizvođača Cisco [8], [9]

Upotreba kontrolera u WLAN mrežama može da predstavlja problem za dalji rast mreže. Njihova upotreba treba da bude u skladu za zahtevima koji se pred njih postavljaju. Recimo, može da se desi da su procesori koji obavljaju funkciju sigurnosti limitirani na 10 Gbit/s CCMP (Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol) protoka, što može biti protok samo 50 AP tačaka. Da bi se obezbedilo adekvatno ponašanje mreže, u velikim mrežama kontroleri moraju da obezbede protok od više desetina Gbit/s.

Pored toga što zahtevaju značajna ulaganja u jezgro mreže, kontroleri mogu negativno da utiču i na postojeću sigurnosnu infrastrukturu. Saobraćaj koji se smešta u kriptovani tunel između AP tačke i kontrolera u jezgru mreže je skriven od mehanizama za otkrivanje i prevenciju zloupotreba i od mehanizama koji upravljaju kvalitetom servisa. Da bi se ovaj problem rešio, administratori mreža moraju da primene dvostruki sigurnosni sistem.

Imajući u vidu ove potencijalne probleme, neki proizvođači WLAN uređaja i sistema nude WLAN arhitekture bez kontrolera. Ta rešenja se zasnivaju na činjenici da su s vremenom AP tačke postale moćnije i da mogu da obavljaju i funkcije koje je obavljao kontroler. Obezbeđena je komunikacija između susednih AP tačaka kojom se razmenjuju kontrolne informacije. Cilj ovakve arhitekture je da jedan isti saobraćaj ne prolazi kroz jezgro mreže više puta (Slika 5.). Ovim „pametnim” AP tačkama upravlja centralizovani upravljački sistem za nadgledanje i konfigurisanje (slično funkcionisanju rutera u Internet mreži).

Slika 5. WLAN arhitektura na bazi „pametnih” AP tačaka

2.5. PoE napajanje 802.11n AP tačaka

Napajanje preko Etherneta, PoE (Power over Ethernet), pokazalo se kao najelegantnije rešenje za napajanje 802.11a/b/g AP tačaka. Prvobitni PoE standard jeste 802.3af-2003 i omoućavao je napajanje od 15,4 W na dužini od 100 m kabla kategorije 5 (CAT5). U slučaju 802.11n AP tačaka, gde postoji više radio interfejsa, ova snaga električnog signala nije dovoljna. Imajući ove i slične probleme u vidu, IEEE je unapredio PoE tehnologiju koju je definisao u 802.3at-2009 standardu, prema kojem se obezbeđuje snaga električnog signala od 25,5 W. Postoje nekoliko prednosti koje PoE nudi:

• Manji troškovi – vrlo često se AP tačke postavljaju u spuštene plafone, gde se električne utičnice obično ne postavljaju. Dovođenje napajanja iznad spuštenog plafona može biti prilično skupo i vrlo često zahteva postavljanje nove električne instalacije. PoE omogućava da se zajedno sa Ethernet kablom dovede i napajanje.
• Mobilnost – ukoliko se uređaj pomera nije neophodno obraćati pažnju na napajanje.
• Rad u slučaju nestanka struje – većina komunikacionih centara i ormana u koje se smešta komunikaciona oprema poseduju rezervno napajanje i stoga mogu da obezbede i napajanje AP tačaka preko PoE. Kako korisnički uređaji imaju sopstveno napajanje, prilikom nestanka struje ne mora automatski da dođe i do prekida servisa prenosa podataka.

Prelazak na 802.11n sisteme podrazumeva i razmatranje kako obezbediti napajanje 802.11n AP tačaka. Postoje četiri načina kako se to može uraditi [10]:

• Napajanje se dobija direktno iz Ethernet sviča na koji se AP tačka povezuje. To će možda podrazumevati zamenu sviča onim koji podržava 802.3at standard, ali će zamena sviča možda biti neophodna s obzirom na potrebu da u 802.11n sistemima svičevi treba da podržavaju brzine od najmanje 1 Gbit/s.
• Napajanje se dobija iz Inline Power Patch Panela. U slučaju da svičevi nemaju PoE funkciju, oni se mogu povezati na Inline Power Patch Panele koji će se komunikacionim kablom, preko kojeg će obezbediti i napajanje, povezati na AP tačke.
• Napajanje se dobija iz uređaja koji se naziva power injector. Ovi uređaji se koriste u slučajevima kada svičevi nemaju PoE funkciju i instaliraju se u ormanu gde su postavljeni i drugi svičevi. Oni preko internog ili eksternog AC adaptera napajanje dobijaju iz električne mreže, a sa jedne strane se Ethernet kablom povezuju na svič, dok se sa druge strane Ethernet kablom povezuju na AP tačku kojoj preko tog kabla i PoE mehanizma obezbeđuju napajanje.
• Napajanje se preko adaptera dobija iz energetske mreže.

Slika 6. prikazuje primer PoE sviča i power injectora.

Slika 6. PoE svič, power injector i njihovo povezivanje [11], [12], [13]

Ukoliko neki uređaj treba da se napaja preko PoE, a ne poseduje PoE funkciju, on napajanje može da dobije preko PoE splitera koji se sa jedne strane priključuje na PoE svič, a sa druge strane se povezuje sa 802.11 uređajem i to Ethernet kablom i standardnim naponskim DC kablom (Slika 7).

Slika 7. PoE spliter i povezivanje sa AP koja ne podržava PoE [14], [15]

2.6. Planiranje područja pokrivanja i pozicije AP tačaka

Domet 802.11n mreža je veći od prethodnih 802.11 standarda, ali se i način kako se taj domet ostvaruje prilično razlikuje, a i osetljivost na fizičku sredinu je veća. Slika 8. prikazuje plan pokrivanja nekog objekta u slučaju korišćenja tri kanala (1, 6 i 11) u 802.11b ili 802.11g sistemima. Prilikom razvoja bežične mreže korišćenjem mikroćelijske arhitekture, planiranje kanala zahteva pažljivo projektovanje veličina kružnih ćelija i dodelu kanala kako bi se minimizovala interferencija. Situacija u praksi se uglavnom ne razlikuje mnogo od one koja je projektovana korišćenjem nekih automatizovanih alata.

Slika 8. Tipičan plan pokrivanja područja uz pomoć mikroćelija, teoretski i praktično (boje prezentuju kanale) [16]

U slučaju 802.11n mreža projektovanje područja pokrivanja i raspoređivanje kanala nije tako jednostavno i predvidivo, s obzirom na to da se korišćenjem MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) tehnike sada javljaju višestruki prostorni tokovi koji koriste multipath fenomen (višestruka refleksija signala) za unapređenje performansi. Slika 9. prikazuje tipičan plan pokrivanja u 802.11n sistemima. Na donjoj slici veća brzina prenosa je označena tamnijom bojom, a vidi se da postoje mesta koja su prilično udaljena od AP tačke a u kojima je obezbeđena velika brzina prenosa, a da čak između AP tačke i tih mesta ne postoji kontinuitet prijema.