CASOPIS REPUBLICKE AGENCIJE ZA TELEKOMUNIKACIJE

SADRŽAJ

Potreba za povezivanjem sve većeg broja elektronskih uređaja na računarsku mrežu i Internet uslovila je i potrebu za razvojem tehnologija koje bi trebalo da budu međunarodno standardizovane u cilju kompatibilnosti različitih proizvođača. Jedan u nizu standarda koji omogućava bežično povezivanje računara i drugih uređaja u okviru LAN mreža jeste IEEE 802.11n-2009. Ovaj standard, uvođenjem novih tehnika prenosa podataka, omogućava višestruko veće brzine od njegovih prethodnika. U uvodnom delu ovog rada navedeno je kako se 802.11n standard razvijao i na koji način se 802.11n uređaji sertifikuju. Nakon toga, dat je pregled svih relevantnih karakteristika 802.11n standarda, počev od MIMO tehnike i drugih unapređenja na fizičkom nivou, preko unapređenja na MAC nivou do aspekata koji se odnose na uštedu energije i sigurnost u 802.11n mrežama.

1. UVOD

Bežične računarske mreže su postale uobičajena stvar u svakoj LAN (Local Area Network) mreži: u domaćinstvu, u malim i srednjim preduzećima, velikim kompanijama, školskim, univerzitetskim i zdravstvenim institucijama.

Sve veći broj korisnika bežičnih mreža i pojava novih aplikacija u ovim mrežama uslovili su potrebu za povećavanjem kapaciteta i dometa koji bi mogli da pariraju karakteristikama žičnih mreža. Mnoge kompanije bežični način povezivanja korisnika smatraju primarnom metodom i ističu da njihove mreže moraju biti bežične.

Uvidevši da će se u budućnosti javiti ova potreba, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) institut je još 2002. godine započeo rad na razvoju tehnologije koja će omogućiti brzine od nekoliko stotina Mbit/s. Posledica tog rada jeste 802.11n standard čija je konačna verzija usvojena 2009. godine.

IEEE 802.11n-2009 [1] predstavlja narednu generaciju bežične tehnologije, odnosno dopunu standarda IEEE 802.11-2007 [2], a unapređuje prethodne specifikacije 802.11a i 802.11g. Najznačajnije unapređenje se odnosi na povećanje brzine sa 54 Mbit/s do mogućih 600 Mbit/s. Maksimalna brzina 802.11n sistema zavisi od konfiguracije. Ostala unapređenja se odnose na domet i pouzdanost (Slika 1).

Radio medijum je deljeni medijum. To znači da je sa pojavom većeg broja korisnika i zahtevnijih aplikacija sve manje dostupnog propusnog opsega po jednom korisniku, a to utiče na smanjivanje ukupnih performansi bežičnih mreža. Standard 802.11n je i ovu činjenicu uzeo u obzir i trebalo je da nađe rešenje koje će povećati i performanse mreže i domet u okruženju sve većeg broja korisnika.

Slika 1. Poređenje brzina i dometa 802.11b, 802.11a/g i 802.11n sistema [3]

Obezbeđujući višestruko veće brzine od 802.11a i 802.11g tehnologija, neke pretpostavke govore da 802.11n u budućnosti može postati dominantna LAN tehnologija, kao što je to danas Ethernet.

2. PROCES RAZVOJA STANDARDA 802.11n I Wi-Fi SERTIFIKACIJA PROIZVODA

Zvanični početak razvoja 802.11n standarda predstavlja predstavljanje nove radne grupe za IEEE 802.11 komitetu WNG SC (Wireless Next Generation Standing Committee) u januaru 2002. godine. Radna grupa za 802.11n (TGn – Task Group n) je svoj prvi sastanak održala u septembru 2003. godine. Pred nju su tada postavljeni sledeći ciljevi [4]:

·protok od najmanje 100 Mbit/s po jednom kanalu širine 20 MHz,

·spektralna efikasnost od najmanje 3 bit/s/Hz,

·mogućnost funkcionisanja u opsegu od 5 GHz,

·kompatibilnost sa 802.11a standardom,

·integracija 802.11e specifikacije u okviru radnih stanica.

Interesantno je da inicijalni zahtevi nisu uključivali funkcionisanje u opsegu od 2,4 GHz, što bi podrazumevalo kompatibilnost sa 802.11g standardom. Na kraju je ipak i ovaj zahtev uzet u obzir.

Usledilo je prikupljanje predloga za tehnologiju koja bi trebalo da ispuni postavljene zahteve. U martu 2006. predstavljena je prva verzija, Draft 1.0, 802.11n standarda, ali ona nije uspela da dobije adekvatnu podršku.

Iako konačna verzija nije usvojena, prvi 802.11n proizvodi (Pre-N proizvodi) pojavili su se na tržištu 2007. godine, a razvijani su na bazi različitih verzija standarda i nisu garantovali interoperabilnost.

U martu 2007. godine usvojena je Draft 2.0 verzija standarda, a u junu 2007. godine, Wi-Fi Alijansa je počela sa sertifikacijom 802.11n proizvoda koji su bazirani na ovoj verziji 802.11n standarda. To je urađeno da bi proizvođači mogli početi prodaju 802.11n proizvoda dok TGn grupa ne završi standard.

Nakon ovoga, izdavale su se i naredne verzije 802.11n standarda sve do Draft 11.0 verzije, koja je usvojena kao konačan standard 11. septembra 2009. godine. Konačan IEEE 802.11n-2009 standard objavljen je 29. oktobra 2009. godine.

Organizacija pod nazivom Wi-Fi Alliance je međunarodna neprofitna organizacija koja se bavi pitanjima proizvodnje, promovisanja i interoperabilnosti 802.11 WLAN (Wireless LAN) proizvoda. Ona danas predstavlja grupu od preko 400 članica koja promoviše termin “Wi-Fi”, a kojim označava sve forme umrežavanja koje su bazirane na 802.11 standardima (bez obzira da li se radi o 802.11a, b, g ili n) [5].

Wi-Fi alijansa, između ostalih, ima sledeće ciljeve:

·promovisanje Wi-Fi sertifikacije proizvoda širom sveta kako bi podstakla proizvođače da prate standardizovane 802.11 procese prilikom razvoja WLAN proizvoda,

·izgradnju i održavanje tržišta Wi-Fi proizvoda koji se nude raznim korisnicima, kao što su domaćinstva, mala i srednja preduzeća i velike kompanije.

Program pod nazivom Wi-Fi CERTIFIED™ obezbeđuje širom sveta prepoznatljivu oznaku koja označava interoperabilnost i kvalitet i omogućava da Wi-Fi proizvodi korisnicima ponude najbolja iskustva u korišćenju opreme koja se odnosi na bežične računarske mreže. Wi-Fi sertifikacija je proces koji obezbeđuje interoperabilnost, odnosno kompatibilnost, između 802.11 uređaja različitih proizvođača, uključujući tačke za pristup (AP – Access Point) i bežične adaptere.

Wi-Fi alijansa je u junu 2007. godine započela sertifikaciju 802.11n proizvoda koji su bazirani na Draft 2.0 verziji standarda [6]. Odmah nakon što je IEEE 802.11n-2009 ratifikovan, Wi-Fi alijansa je ažurirala program sertifikacije i promovisala novu oznaku koja označava usaglašenost sa ovim i prethodnim 802.11 standardima (Slika 2).

Slika 2. Oznaka koju dobijaju proizvodi koji su u saglasnosti sa 802.11a, b, g i n standardima

3. PREGLED 802.11n TEHNOLOGIJE

Postoji nekoliko važnih karakteristika koje 802.11n tehnologiji omogućavaju bolje performanse u odnosu na prethodne 802.11a/b/g tehnologije, a to su [7], [8]:

·MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) tehnika, u koju spadaju sledeće tehnike:

• usmeravanje predajnog snopa, TxBF (Transmit Beamforming) – tehnika koja usklađuje faze predajnih signala tako da se na prijemnoj strani, sabiranjem tih signala, dobija signal koji može biti i 400% jači od signala koji bi se dobio da se ne koristi ova tehnika.

• prostorno multipleksiranje (Spatial Multiplexing) – simultano slanje višestrukih tokova podataka i dekodiranje korišćenjem višestrukih prijemnika u cilju povećanja kapaciteta kanala,

• MRC (Multi-Ratio Combining) – kombinovanje podataka iz podnosilaca na svakoj prijemnoj anteni,

·povezivanje kanala (channel bonding) i unapređenje tehnike kodovanja,

·efikasniji protokoli, u šta spada agregacija paketa (packet aggregation) i potvrđivanje blokova ramova.

802.11n podržava rad u dva nelicencirana ISM (Industrial, Scientific and Medical) opsega, 2,4 GHz i 5 GHz, što omogućava fleksibilnost prilikom zadovoljavanja velikog broja zahteva za bežičnim prenosom. Pored ovoga, 802.11n standard je kompatibilan sa 802.11a i 802.11g WLAN standardima, a za koordinaciju pristupa mrežama koje su slične 802.11b/g mešovitom modu funkcionisanja potrebni su sigurnosni mehanizmi. Ovi sigurnosni mehanizmi uzrokuju postojanje velikog overheda (overhead), što utiče na protok. Kompatibilnost sa prethodnim tehnologijama omogućava korišćenje već postojećih WLAN uređaja. Međutim, za postizanje maksimalnih performansi koje 802.11n omogućava, neophodno je implementiranje isključivo 802.11n uređaja koji funkcionišu u opsegu od 5 GHz.

4. MIMO TEHNIKA U 802.11n

MIMO tehnika predstavlja „srce” 802.11n standarda, jer omogućava dostizanje brzina do 600 Mbit/s. MIMO tehnika koristi više antena koje šalju i primaju podatke u isto vreme.

MIMO tehnika koristi prednosti nekih drugih tehnologija kako bi povećala odnos signal-šum (SNR – Signal-to-Noise Ratio) na strani prijemnika. Jedna od tehnika je TxBF (Transmit Beamforming). Kada postoji više od jedne predajne antene, moguće je koordinisati signal koji se šalje sa svake antene tako da se signal na prijemniku značajno poboljša. Ova tehnika se obično koristi kada prijemnik poseduje samo jednu antenu i kada postoji nekoliko prepreka ili radio-reflektujućih površi između predajnika i prijemnika.

Kada se dva radio signala pošalju sa različitih antena ovi signali se sabiraju na prijemnoj anteni. U zavisnosti od rastojanja koje svaki od ova dva signala prelazi, veoma je verovatno da će signali stići do prijemnika sa neusaglašenim fazama. Razlika u fazi će uticati na ukupnu snagu primljenog signala. U najgorem slučaju dva signala mogu da ponište jedan drugog (Slika 3a). Međutim, ukoliko se pažljivo podesi faza radio signala na predajnoj strani, snaga primljenog signala i SNR se mogu značajno povećati (Slika 3b) [9]. TxBF tehnika upravo to radi: ona efikasno fokusira predajnike ka jednom prijemniku (Slika 4).

Slika 3. Destruktivna i konstruktivna interferencija

Slika 4. Primer TxBF tehnike sa dve predajne i jednom prijemnom antenom [4]

TxBF se ne može lako ostvariti na predajniku bez dobijanja informacija o prijemnom signalu od strane prijemnika. Ove informacije mogu da obezbede samo 802.11n uređaji (uređaji 802.11a/b/g tipa to ne mogu da urade). Povratne informacije su validne samo kratko vreme, jer svako pomeranje predajnika, prijemnika ili elemenata koji se nalaze u sredini kojom se signal prostire, vrlo brzo obezvređuje parametre koji su važili u prethodnim trenucima.

TxBF se koristi kada postoji samo jedan prijemnik nekog toka podataka. Nije moguće optimizovati faze predajnih signala kada se vrši broadcast ili multicast prenos. S obzirom na to da se SNR povećava, TxBF može da poveća brzinu prenosa podataka i/ili da poveća rastojanje prijemnika od tačke za pristup, AP. Međutim, TxBF ne može da poveća područje pokrivanja AP tačke, jer to u najvećoj meri zavisi od mogućnosti prijema Beacon upravljačkog rama koji šalje AP tačka. Beacon ramovi predstavljaju broadcast prenos, a ta vrsta prenosa nema koristi od TxBF tehnike.

Ova MIMO tehnika se može iskoristiti za povećanje protoka i u slučajevima kada ima manje predajnih antena od prijemnih. Recimo, u MIMO konfiguraciji 1x2 (jedna predajna i dve prijemne antene), dve prijemne antene primaju isti signal i nakon toga se vrši kompleksni proračun koji može da rezultuje većom efektivnom snagom signala u prijemnom uređaju. S obzirom na to da uređaji (npr. AP tačke) koji su bazirani na prethodnim standardima imaju samo jednu antenu, ova metoda se može iskoristiti i u slučaju starijih bežičnih sistema. Sa druge strane, ukoliko AP tačka tipa 802.11n poseduje više antena, tada ona može da primi bolji (za oko 30%) signal od starijih 802.11 stanica.

Druga tehnika koju MIMO koristi jeste prostorni diversiti (diversity). Vrlo često se radio signali prostiru po više putanja (multipath). Kada signal putuje različitim putanjama, vreme posle koga on stiže do prijemnika zavisi od dužine putanje. Signal koji putuje najkraćom putanjom će stići prvi, zatim njegova kopija koja prelazi malo dužu putanju, i tako dalje. Kada se putuje brzinom svetlosti, kao što putuju radio talasi, kašnjenje između ovih signala je malo, reda nanosekundi. Recimo, razlika puteva od 30 cm uvodi kašnjenje od 1 ns. Ovo kašnjenje je dovoljno da izazove malu degradaciju signala na jednoj prijemnoj anteni, jer sve kopije signala interferiraju sa signalom koji prvi stigne.

MIMO tehnika šalje više radio signala u isto vreme i koristi neke prednosti propagacije signala po više putanja. Svaki od ovih signala se naziva prostorni tok (spatial stream). Svaki prostorni tok se šalje sa svoje antene, koristeći svoj predajnik. S obzirom na to da postoji fizički razmak između tih antena, svaki signal prelazi različitu putanju do prijemnika. Ta pojava se naziva prostorni diversiti (spatial diversity). Pored ovoga, svaki radio predajnik može da šalje različit tok podataka na istoj frekvenciji, odnosno koristi se tehnika prostornog multipleksinga, SDM (Space Division Multiplexing) [10]. Prijemni uređaj poseduje više antena sa sopstvenim prijemnikom. Svaki od tih prijemnika nezavisno dekodira signale koji stižu na njegovu antenu (Slika 5). Dalje, radio signal sa svakog prijemnika se kombinuje sa signalima koji su stigli na ostale prijemnike. Korišćenjem složenog matematičkog proračuna dobija se mnogo bolji prijemni signal nego kada se koristi samo jedna prijemna antena ili kada se koristi TxBF tehnika.

Slika 5. Ilustracija prostornog multipleksinga

MIMO sistemi koji koriste SDM tehniku se opisuju kao TxR:S, gde T predstavlja broj predajnih antena, R broj prijemnih antena, a S broj prostornih tokova podataka. Na primer, ukoliko je AP tačka tipa 3x3:2, to znači da ona može da šalje i prima dva prostorna toka preko svoje 3 antene. 802.11n standard specificira maksimalno 4 predajnika i 4 prijemnika (4x4 konfiguracija) i tada se dobija maksimalan protok. Unapređenje protoka se dobija pri svakom povećanju broja antena, a najveće pri skokovima sa 1x1 na 2x1 i zatim na 2x2 i 3x2 sisteme, a treba istaći da unapređenje protoka nakon 3x3 konfiguracije nije značajno. Recimo, jedan prostorni tok može da obezbedi brzinu prenosa do 150 Mbit/s, dok dva prostorna toka mogu da obezbede maksimalnu brzinu od 300 Mbit/s.

Pored ove dve, MIMO koristi i MRC (Multi-Ratio Combining) tehniku, koja podrazumeva mogućnost prijemnika da kombinuje signale primljene od više antena u jedan prostorni tok. Slika 6. prikazuje rezultat MRC tehnike. Ukupni signal koji stiže od nekoliko antena je jači i konzistentniji od bilo kog pojedinačnog signala. MRC može da poveća osetljivost prijemnika, ali zahteva procesiranje digitalnog signala [9].

Slika 6. Kombinovanje više signala MRC tehnikom

5. 802.11n FIZIČKI NIVO

Pored MIMO tehnike koja donosi značajna unapređenja u svet bežičnih računarskih mreža, 802.11n primenjuje i neke druge tehnike koje se odnose na unapređenja na fizičkom nivou.

Prva od njih jeste tehnika povezivanja kanala. 802.11a i 802.11g standardi koriste kanale širine 20 MHz i OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulaciju da bi ostvarili brzine do 54 Mbit/s.

Korišćenjem potpuno iste tehnologije kao 802.11a i 802.11g, neki proizvođači WLAN sistema su uspeli da ostvare brzine do 108 Mbit/s. Oni istovremeno koriste dva kanala. Povezivanjem kanala spektralna efikasnost ostaje ista kao u 802.11a i 802.11g, ali je kanal duplo širi, a na taj način se udvostručava brzina prenosa podataka.

802.11n standard omogućava korišćenje kanala širine 20 MHz i 40 MHz. Kanali širine 40 MHz se ostvaruju spajanjem dva susedna kanala širine 20 MHz. Kada koristi kanal širine 40 MHz, 802.11n koristi prednost činjenice da između dva susedna kanala postoji mali frekvencijski opseg koji razdvaja te kanale i služi za zaštitu od interferencije. Taj zaštitni opseg ne mora da postoji kod kanala širine 40 MHz, već se sada i on može iskoristiti za prenos informacija. Korišćenjem dva kanala od po 20 MHz na ovaj način, 802.11n može da postigne i veće brzine nego kada se istovremeno koriste dva odvojena kanala širine 20 MHz (Slika 7) [9], [10].

Slika 7. Spajanje dva kanala širine 20 MHz u jedan širine 40 MHz

802.11n na fizičkom nivou koristi unapređenu OFDM modulaciju u odnosu na 802.11a/g sisteme.

U slučaju 802.11a i 802.11g sistema, jedan simbol traje 4 µs, uključujući i zaštitni interval (guard interval) od 800 ns. Zaštitni interval omogućava svim simbolima koji prelaze veće putanje da stignu do prijemnika pre pristizanja narednog simbola. Naime, ukoliko se signal prostire po više putanja, zaštitni interval od 800 ns omogućava da simbol koji poslednji stiže do prijemnika pređe za oko 2,5 km duži put od simbola koji prvi stiže do prijemnika, a da ne dodje do preklapanja sa narednim simbolom koji prvi stiže do prijemnika. Za brzine od 54 Mbit/s, svaki simbol prenosi 216 bita podataka. Podaci se prenose preko 48 podnosilaca. Pored ovoga postoje još 72 bita koji se koriste za ispravljanje grešaka u svakom simbolu, a to znači da svaki simbol nosi ukupno 288 bita na brzini od 54 Mbit/s. Da bi se upakovalo toliko mnogo bita u svaki podnosilac, koristi se 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulacija.

802.11n nastavlja da koristi OFDM modulaciju i simbol trajanja 4 µs. Kada koristi kanal širine 20 MHz, 802.11n povećava broj podnosilaca sa 48 na 52 (od kojih 48 prenose podatke). To dovodi do brzine od 65 Mbit/s za jedan radio signal. U slučaju dva predajnika, maksimalna brzina prenosa podataka je 130 Mbit/s, dok ona za tri predajnika iznosi 195 Mbit/s, odnosno 260 Mbit/s za četiri predajnika.

Kada se koriste kanali širine 40 MHz, 802.11n povećava broj podnosilaca na 108 (odnosno 114 uključujući i pilote koji ne nose podatke). To omogućava maksimalne brzine od 135 Mbit/s, 270 Mbit/s, 405 Mbit/s, odnosno 540 Mbit/s, korišćenjem od jednog do četiri prijemnika, respektivno.

802.11n omogućava da se koriste različite modulacije u različitim prostornim tokovima. Recimo, neki prostorni tokovi mogu da koriste QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), neki 16-QAM, a neki prostorni tokovi mogu da koriste 64-QAM. Uzimajući ovu činjenicu u obzir, to znači da se značajno može povećati broj različitih podržanih brzina. Međutim, u praksi ova mogućnost verovatno neće doneti neke velike koristi, jer se u tim slučajevima mora obezbediti veća količina povratnih informacija kojima prijemnik treba da informiše predajnike o uslovima prijema.

802.11n, pored ovoga, može da smanji i zaštitni interval sa 800 ns na 400 ns, kada multipath nije problem. To utiče na dodatno povećanje maksimalne brzine, pa se tako na kanalu od 20 MHz mogu, u zavisnosti od broja prostornih tokova, ostvariti brzine od 72, 144, 216 i 288 Mbit/s. Za kanal širine 40 MHz te brzine iznose 150, 300, 450 i 600 Mbit/s.

6. 802.11n UNAPREĐENJA NA MAC NIVOU

Komunikacija se u 802.11 mrežama odvija preko deljenog medijuma za koji se vezuje velika količina overheda. Za svaki ram koji se pošalje zahteva se potvrda o ispravnom prijemu, ACK (acknowledgement). Ovaj zahtev da se za svaki kontrolni i ram sa podacima šalje ACK ram u mnogome umanjuje protok 802.11 komunikacionih sistema. Pored ovoga, da bi se izbegli sudari u deljenom radio medijumu, 802.11 uređaji nakon svakog emitovanog rama moraju da čekaju neki slučajan vremenski interval (backoff period), nakon kojeg mogu ponovo pokušati da zauzmu kanal. Prvi uređaj koji naiđe na slobodan kanal ima pravo da ga zauzime. To dodatno utiče na ukupan protok sistema.

802.11n standard uvodi unapređenja na MAC (Media Access Control) nivou koja treba da ublaže probleme koji postoje u ostalim 802.11 mrežama.

Da bi se smanjio overhed, 802.11n uvodi mehanizam agregacije ramova [10]. Ovaj mehanizam u osnovi šalje dva ili više ramova zajedno. 802.11n uvodi dve metode agregacije ramova:

·MSDU (MAC Service Data Unit) agregacija – MSDU u suštini predstavlja sadržaj rama koji 802.11 MAC ram prenosi, odnosno paket koji je stigao sa viših nivoa (Slika 8).

·MPDU (MAC Protocol Data Unit) agregacija – MPDU predstavlja ram na MAC nivou.

Slika 8. Odnos između MSDU, MPDU, PSDU i PPDU

MPDU predstavlja sadržaj rama na fizičkom nivou (PHY), koji se označava sa PSDU (PHY Service Data Unit). Dodavanjem zaglavlja i preambule na PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) podnivou fizičkog nivoa dobija se jedinica koja se naziva PPDU (PHY Protocol Data Unit).

Kada se ne koristi mehanizam agregacije ramova za svaki ram koji se prenosi, treba da postoje PLCP preambula i PLCP zaglavlje. Obe pomenute agregacije smanjuju overhed na samo jednu PLCP preambulu i jedno PLCP zaglavlje za svaki agregacioni ram koji se prenosi. Postoji mala razlika između ovih agregacija koja rezultuje u razlici između unapređenja koje se dobijaju.

S obzirom na to da se sada više ramova šalje u okviru jednog agregacionog rama, broj potencijalnih sudara i vreme potrebno za backoff mehanizam se značajno smanjuju. Ograničenja mehanizma agregacije ramova jesu:

• svi ramovi koji su agregirani moraju da se šalju na isto odredište, recimo ka istoj mobilnoj stanici ili ka istoj AP tački;

• svi ramovi koji treba da se agregiraju u jedan ram moraju biti spremni za slanje u trenutku agregacije;

• maksimalna veličina rama koja se uspešno može poslati pod uticajem je faktora koji se naziva vreme koherencije kanala (channel coherence time). Ovo vreme zavisi od toga koliko brzo se predajnik, prijemnik ili objekti u sredini kreću. Što je brzina kretanja veća, to je manja maksimalna veličina rama.

U slučaju MSDU agregacije, prijemnik šalje samo jednu potvrdu prijema za agregacioni ram. Međutim, ukoliko agregacioni ram nije ispravno primljen zbog greške koja se dogodila u jednom ramu u okviru agregacionog rama, tada se mora ponovno poslati ceo agregacioni ram, a ne samo ram u kojem je nastala greška. Drugo ograničenje koje se odnosi na MSDU agregaciju jeste da svi ramovi koji čine veliki ram moraju imati iste zahteve za kvalitetom servisa, što, recimo, znači da se ne mogu slati govorni ramovi sa best-effort ramovima.

S obzirom na to da MPDU agregacija prenosi više 802.11 ramova u okviru jednog „grupnog” rama, svaki ram zahteva sopstvenu potvrdu prijema. Umesto da se za svaki ram posebno šalje takva potvrda, 802.11n uvodi mehanizam potvrđivanja blokova ramova, Block ACK (Block Acknowledgement), gde se šalje jedan ram potvrde koji se sastoji od više pojedinačnih potvrda.

U 802.11 mrežama predajnik mora da implementira slučajni backoff mehanizam koji omogućava da ne dolazi do sudara prilikom slanja ramova. U DCF (Distributed Coordinaton Function) sistemima (sistemima koji se baziraju na nadmetanju za medijum), a to su uglavnom sistemi koji su implementirani u infrastrukturnim BSS (Basic Service Set) bežičnim mrežama, definisani su vremenski razmaci između ramova. DIFS (DCF InterFrame Space) interval je osnovni interval u DCF sistemima. Neki predajnik može započeti slanje saobraćaja tek nakon što je istekao DIFS interval posle oslobađanja medijuma. Kada neka stanica primi ram, ona potvrdu o prijemu može poslati nakon SIFS (Short InterFrame Space) intervala koji je kraći od DIFS intervala (Slika 9).

802.11n uvodi mogućnost da se SIFS interval dodatno smanji i na taj način može da unapredi performanse sistema. Taj manji interval se naziva RIFS (Reduced InterFrame Spacing). SIFS interval iznosi 10 µs za opseg od 2,4 GHz, odnosno 16 µs za opseg od 5 GHz, dok je RIFS vrednost definisana na 2 µs. Neophodno je istaći da se RIFS može koristiti samo u sistemima gde postoje isključivo 802.11n uređaji.

Slika 9. Odnos DIFS, PIFS, SIFS i RIFS intervala u procesu pristupa medijumu

U 802.11n mrežama uzastopni ramovi se mogu slati nakon isteka RIFS intervala. Agregacija ramova omogućava da se i ovaj RIFS interval izbaci i da se ramovi šalju zajedno. RIFS interval se koristi kada agregacija nije moguća. Slika 10. ilustruje neke procese u 802.11n mrežama. Primeri sa slike pod a) i b) ilustruju mogućnost dobijanja ekskluzivnog prava slanja više ramova u periodu koji se naziva TxOP (Transmission Opportunity). Ovaj mehanizam specificiran je u 802.11e standardu. Primeri sa slike pod c), d) i e) ilustruju kako se upotrebom RIFS intervala i mehanizama za agregaciju ramova dodatno smanjuje potrebno vreme za prenos više ramova.

Slika 10. Korišćenje RIFS intervala i agregacije ramova u 802.11n [10]

7. KOMPATIBILNOST SA PRETHODNIM STANDARDIMA

Verovatno će još puno vremena proći pre nego što se svi 802.11a/b/g uređaji zamene 802.11n uređajima, a verovatno će se u međuvremenu pojaviti i neka nova bežična tehnologija. Stoga, kompatibilnost sa postojećim 802.11a/b/g sistemima predstavlja veoma bitan aspekt 802.11n standarda. Slično kao što 802.11g obezbeđuje zaštitini mod za funkcionisanje sa 802.11b uređajima, i 802.11n poseduje više mehanizama u cilju ostvarivanja kompatibilnosti sa uređajima koji nisu 802.11n tipa. Ti mehanizmi omogućavaju 802.11a/b/g uređajima da razumeju potrebne informacije (Beacon ram) koje omogućavaju da u istoj sredini funkcionišu i 802.11n uređaji. Generalno gledano, 802.11n fizički nivo može da funkcioniše u tri različita moda [11]:

• Legacy mod – u cilju kompatibilnosti nisu omogućene 802.11n performanse;

• Mešoviti (mixed) mod – u sredini mogu da postoje 802.11a/b/g i 802.11n uređaji i ovo je najinteresantniji način rada u većini praktičnih sistema. Slično 802.11g standardu, i 802.11n šalje signale koje uređaji prethodnih sistema mogu da dekoduju;

• Green Field mod – u sredini postoje samo 802.11n uređaji.

8. ŠTEDNJA ENERGIJE U 802.11n SISTEMIMA

Problem uštede energije u 802.11 sistemima je veoma izražen, a naročito kada se ima u vidu da mobilne stanice energiju uglavnom dobijaju iz baterija koje imaju svoja ograničenja i koje se moraju dopunjavati. Funkcionisanje u različitim opsezima zahteva još više energije u odnosu na prethodne 802.11 sisteme. Da bi se rešio ovaj problem, 802.11n dopunjuje 802.11 MAC funkcije za uštedu energije. Postoje dve dopune [12] u odnosu na originalni 802.11 standard i na funkcije koje su specificirane u 802.11e standardu (APSD – Automatic Power Save Delivery) [13]. Ta dva nova mehanizma u 802.11n standardu jesu:

• SMPS (Space Multiplexing Power Save) – štednja energije pri prostornom multipleksiranju;

• PSMP (Power Save Multi-Poll) – proširuje APSD na 802.11n sisteme.

Mehanizam SMPS omogućava 802.11n klijentima da isključe sve osim jednog prostornog toka. Ovaj mod poseduje dva podmoda funkcionisanja:

• Statički mod – omogućava da se isključe svi osim jednog prostornog toka i tada klijent postaje u suštini 802.11a ili 802.11g klijent. Klijent obaveštava AP tačku sa kojom je asociran, da radi samo u statičkom single-radio modu. Od AP tačke se tada zahteva da šalje samo jedan prostorni tok ka klijentu sve dok je ovaj ne obavesti da su i drugi tokovi dostupni. Ovo obaveštavanje se vrši novim upravljačkim ramom koji je specificiran u 802.11n standardu.

• Dinamički mod – klijent može brzo da uključi i ostale tokove kada primi ram koji je njemu namenjen. AP tačka klijentu šalje RTS (Request-To-Send) ram, kako bi ovaj uključio svoje dodatne radio primopredajnike. Po prijemu RTS rama on ih uključuje i šalje CTS (Clear-To-Send) ram AP tački. U tom trenutku su omogućeni svi primopredajnici klijenta i mogu da prime sve prostorne tokove koje AP tačka šalje. Po završetku prijema rama, klijent može promptno da se vrati u stanje sa malom potrošnjom energije.

PSMP mod proširuje APSD mehanizam koji je definisan u 802.11e standardu. Korišćenjem APSD mehanizma, klijent informiše AP tačku da treba da baferuje ramove koji zahtevaju neki specifičan nivo kvaliteta servisa sve dok ih klijent ne zatraži. APSD mehanizam je veoma koristan za bežične VoIP (Voice over IP) telefone, gde je brzina prenosa podataka skoro ista u oba smera komunikacije. Kad god klijent pošalje govorne podatke AP tački, AP se „trigeruje” da pošalje baferovane govorne podatke klijentu u suprotnom smeru. Nakon prijema podataka koji su bili baferovani, klijent (npr. VoIP telefon) ulazi u neaktivno stanje sve dok ne počne sa slanjem novih govornih podataka ka AP tački.

9. SIGURNOST U 802.11n MREŽAMA

Velika brzina prenosa podataka i unapređena pouzdanost 802.11n sistema može lako da utiče na to da neke LAN mreže budu u potpunosti bežične. Međutim, da bi se to desilo i da bi se omogućilo da neke bitne poslovne aplikacije pređu na bežičnu infrastrukturu, mora se obezbediti sigurnost u mreži.

Što se pristupa i korisničkih podataka tiče, 802.11n standard predviđa korišćenje identične 802.11i (WPA2 – Wi-Fi Protected Access version 2) sigurnosne procedure kao i 802.11a i 802.11g sistemi [14]. Pored ovoga, mogu se uspostavljati i virtuelne privatne mreže, VPN (Virtual Private Network), koje dodatno mogu da štite 802.11n saobraćaj, s tim što sada VPN gejtveji moraju da obezbede veći protok u odnosu na starije sisteme.

U cilju sveobuhvatne sigurnosne politike WLAN mreža, neophodno je postojanje namenskog sistema za detekciju i prevenciju upada u WLAN sistem, WIDS/WIPS (Wireless Intrusion Detection and Prevention System). Ovi sistemi vrše monitoring radio spektra koji je od interesa u cilju detektovanja nelegalnih AP tačaka i drugih uređaja i imaju mogućnost da automatski preuzmu akcije za prevenciju napada.

Part-time WIPS sistemi mogu da koriste bežičnu infrastrukturu za ograničenu detekciju napada i nelegalnih uređaja. Ovi sistemi koriste AP tačke koje na jednom kanalu opslužuju WLAN korisnike, a sa druge strane vrše off-channel skeniranje kako bi detektovale nelegalne uređaje i uhvatile neki nelegalan saobraćaj koji treba analizirati. Iako je protok 802.11n sistema brži najmanje 6 puta od tradicionalnih 802.11a/g sistema, sa unapređenjem hardvera, većina AP tačaka bi trebalo da može da obavlja WIPS funkcije i prenos podataka istovremeno.

Ipak, part-time WIPS sistemi nisu optimalno rešenje za nadgledanje 802.11n sistema [15]. Kako se funkcije nadzora vrše između prenosa korisničkih podataka, to može značajno da utiče na kašnjenje pri prenosu, što je za aplikacije koje prenose govor i video podatke neprihvatljivo. Optimizacija sistema sa ciljem da više vremena koristi na opsluživanje WLAN klijenata, a manje na off-channel skeniranje, može da unapredi performanse WLAN sistema, ali tada se ostavlja više prostora za napad. Podela vremena je još izraženija u 802.11n sistemima gde treba vršiti monitoring na kanalima širine 20 MHz i 40 MHz. To skoro udvostručuje broj kanala koje senzor (u ovom slučaju AP tačka) mora da nadgleda. Implementacija namenskog senzora koji ne opslužuje WLAN korisnike, niti obavlja funkcije povezivanja AP tačaka u mesh arhitekturi, predstavlja rešenje ovog problema. Ovi senzori sada mogu neprekidno da vrše nadgledanje sistema i da šalju informacije sigurnosnom serveru, što obezbeđuje mnogo viši sigurnosni nivo. Namenski senzori mogu da podese frekvenciju koju će da skeniraju u zavisnosti od aktivnosti u bežičnom medijumu, mogu duže da nadgledaju kanale koji su od interesa, mogu aktivno da utiču na prekidanje nelegalnih bežičnih sesija, a da za to vreme ne utiču na prenos korisničkih podataka.

10. ZAKLJUČAK

Bežične računarske mreže su sve prisutnije u poslovnom i svetu rezidencijalnih klijenata. One omogućavaju jednostavno povezivanje uređaja na mrežu bez potrebe postavljanja dodatne žične infrastrukture. Činjenice da se vremenom razvijaju sve zahtevnije aplikacije i da se bežični prenos bazira na deljenom medijumu, uticale su na to da projektanti sistema konstantno razvijaju nove i unapređuju postojeće tehnologije kako bi odgovorili na sve zahteve korisnika. Prvobitni 802.11 standard je usvojen 1997. godine i konstantno se od tada unapređivao amandmanima i dodatnim specifikacijama. Godine 2007. usvojen je standard koji je sva ta unapređenja svrstao u jednu specifikaciju, IEEE 802.11-2007. Bez obzira na to, razvoj bežičnih računarskih mreža je nastavljen, a 2009. godine usvojen je i amandman IEEE 802.11n-2009, koji omogućava višestruko veće brzine prenosa podataka. Ovaj rad je prikazao osnovne 802.11n karakteristike i unapređenja u odnosu na prethodni 802.11 standard. Trenutno se u fazi razvoja nalaze i dva nova standarda, 802.11ac i 802.11ad, koji bi trebalo da omoguće brzine od 1 Gbit/s i 7 Gbit/s, respektivno. U nastavku ovog rada biće objašnjena implementacija 802.11n sistema sa akcentom na probleme koji se mogu javiti kada se stara 802.11 mreža zamenjuje 802.11n sistemom. Pored ovoga, navešće se osnovni principi standarda koji treba da omoguće gigabitne brzine prenosa podataka.

Literatura

[1]IEEE 802.11n-2009, “IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 5: Enhancements for Higher Throughput”, 29 October 2009.

[2]IEEE 802.11-2007, “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE Std 802.11-2007, (Revision of IEEE Std 802.11-1999)”, June 12, 2007.

[3]Tutorial, »802.11n Demystified«, Xirrus, 2008.

[4]Jim Geier: “Designing and Deploying 802.11n Wireless Networks”, Cisco Press, 2010.

[5]http://www.wi-fi.org, September 2011.

[6]“Wi-Fi CERTIFIED™ n: Longer-Range, Faster-Throughput, Multimedia-Grade Wi-Fi® Networks”, Wi-Fi Aliance, September 2009.

[7]Eldad Perahia, “IEEE 802.11n Development: History, Process, and Technology”, IEEE Communications Magazine, July 2008.

[8]Thomas Paul, Tokunbo Ogunfunmi, “Wireless LAN Comes of Age: Understanding the IEEE 802.11n Amendment”, IEEE Circuits and Systems Magazine, Q1 2008.

[9]White Paper, “802.11n Technology”, Meraki, February 2011.

[10]Eldad Perahia, Robert Stacey: “Next Generation Wireless LANs – Throughput, Robustness, and Reliability in 802.11n”, Cambridge University Press, 2008.

[11]http://wireless.agilent.com/wireless/helpfiles/n7617b/mimo_ofdm_signal_structure.htm, September 2011.

[12]White Paper, “802.11n: The Next Generation of Wireless Performance”, Cisco Systems, Inc, 2007.

[13]IEEE 802.11e-2005, “IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and information exchange between systems— Local and metropolitan area networks— Specific requirements, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications, Amendment 8: Medium Access Control (MAC) Quality of Service Enhancements”, November 11, 2005.

[14]IEEE 802.11i-2004, “Amendment 6 to Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Medium Access Control (MAC) Security Enhancements”, 2004.

[15]White Paper, “802.11n Demystified – Key consideration for n-abling the Wireless Enterprise”, Motorola, 2009.

Autor

Dejan Nemec je rođen u Kikindi 1972. godine. Od 1976. živi u Novom Sadu. Diplomirao je 1998. na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. Stručni naziv Specijalista za savremene komunikacione tehnologije iz oblasti elektrotehnike i računarstva je stekao 2009. godine na Fakultetu tehničkih nauka u Novom Sadu. Od 1999. godine do danas radi na Fakultetu tehničkih nauka, na Katedri za telekomunikacije i obradu signala, prvo kao stručni saradnik, a sada kao predavač strukovnih studija. Koordinator je serije kurseva „NKT – Napredne komunikacione tehnologije“, koje Katedra za telekomunikacije i obradu signala organizuje za potrebe privrede. Autor je nekoliko kurseva iz NKT serije. Objavio je više radova na domaćim naučnim skupovima i u domaćim časopisima. Član je IEEE.