Оценка пропускной способности Wi-Fi (физический уровень).

Системные компромиссы – это неотъемлемая часть всех разработок цифровых систем связи. Разработчик должен стремиться к :

1. увеличению скорости передачи бит R  до максимально возможной;

2. минимизации вероятности появления битовой ошибки P_b;

3. минимизации потребляемой мощности, или, что то же самое, минимизации требуемого отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума z_b²;

4. минимизации ширины полосы пропускания W;

5. максимизации интенсивности использования системы, т.е. к обеспечению надежного обслуживания максимального числа пользователей с минимальными задержками и максимальной устойчивостью к возникновению конфликтов;

6. минимизации конструктивной сложности системы, вычислительной нагрузки и стоимости системы.

Конечно, разработчик системы может попытаться удовлетворить всем требованиям одновременно. Однако очевидно, что требования 1 и 2 противоречат требованиям 3 и 4; они предусматривают одновременное увеличение скорости R и минимизацию P_b, z_b², W.

Существует несколько сдерживающих факторов и теоретических ограничений, которые неизбежно влекут за собой компромиссы в любых системных требованиях:

· Минимальная теоретически требуемая ширина полосы частот по Найквисту

· Теорема о пропускной способности Шеннона-Хартли (и предел Шеннона)

· Государственное регулирование (например, распределение частот)

· Технологические ограничения (например, современные комплектующие)

· Другие системные требования (например, орбиты спутников)

Некоторые реализуемые компромиссы между кодированием и модуляцией можно лучше показать через изменение положения рабочей точки на одной из двух плоскостей – характеристике вероятности появления ошибки и характеристике эффективности использования полосы частот. Чтобы получить зависимость вероятности битовой ошибки P_b от битового отношения сигнал/шум z_b для стандарта IЕЕЕ 802.11, найдем сначала зависимость вероятности символьной ошибки P_e от символьного отношения сигнал/шум z. Так как в стандарте IЕЕЕ 802.11 используются модуляции QPSK и QAM,воспользуемся методикой:

Зависимости P_e от z для модуляции QPSK при различном количестве сигналов изображены на рисунке 4.1; для модуляции QAM – на рисунке 4.2.

Рис. 4.1.

Рис. 4.2.

Для пересчета P_e и z в P_b и z_b воспользуемся формулами

, где

На рисунках 4.3 и 4.4 показаны семейства кривых зависимости Р_b от z_b для модуляций QPSK и QAM. Для представления каждой k-битовой последовательности модулятор использует один из M=2^k сигналов, где М – размер набора символов. На рисунках 4.3 и 4.4 показано повышение частоты появления ошибок с увеличением k (или М) при передаче неортогональных сигналов. Для наборов неортогональных сигналов, расширение набора символов может снизить требования к полосе пропускания за счет повышения Р_b, или требуемого значения z_b. Далее эти семейства кривых (рис.4.3 и 4.4) будем называть кривыми характеристик вероятности появления ошибок, а плоскость, в которой они лежат, – плоскостью вероятности появления ошибок. Такие характеристики показывают, где может располагаться рабочая точка для конкретных схем модуляции и кодирования.

Рис. 4.3.

Рис. 4.4.

 

Для системы с данной скоростью передачи информации каждую кривую на плоскости можно связать с различными фиксированными значениями минимально необходимой полосы пропускания; а значит, некое множество кривых можно представить как множество кривых равной полосы пропускания. При передвижении по кривой в направлении возрастания ординаты, ширина полосы пропускания, необходимая для передачи, увеличивается; и напротив, если перемещаться в обратном направлении, то требуемая полоса пропускания уменьшится. После выбора схемы модуляции и кодирования, а также номинального значения z_b функционирование системы характеризуется конкретной точкой на плоскости вероятности появления ошибок. Возможные компромиссы можно рассматривать как изменение рабочей точки на одной из кривых или как переход с рабочей точки одной кривой семейства в рабочую точку другой. Эти компромиссы изображены на рис. 4.3 как смещения рабочей точки системы в направлении, указанном стрелками. Перемещение рабочей точки вдоль линии 1 между точками а и b можно считать компромиссом между Р_b и характеристикой z_b (при фиксированном значении W). Аналогично сдвиг вдоль линии 2, между точками c и d, является поиском компромисса между Р_b и W (при фиксированном значении z_b). И, наконец, перемещение вдоль линии 3, между точками e и f, представляет собой поиск компромисса между W и z_b (при фиксированном значении Р_b). Сдвиг вдоль линии 1 – это снижение или повышение номинального значения z_b. Этого можно достичь, например, путем повышения мощности передатчика; это означает, что компромисс можно осуществить просто "поворотом регулятора" даже после завершения конфигурации системы. В то же время другие компромиссы (сдвиги вдоль линий 2 или 3) включают изменения в схеме модуляции или кодирования, а значит, их следует осуществлять на этапе разработки системы.

Шеннон показал, что пропускная способность канала С с аддитивным белым гауссовым шумом, является функцией средней мощности принятого сигнала S, средней мощности шума N₀ и ширины полосы пускания W. Выражение для пропускной способности (теорема Шеннона-Хартли) можно записать следующим образом:

                                                                                (4.1)

Если W измеряется в герцах, а логарифм берется по основанию 2, то пропускная способность будет иметь размерность бит/с. Теоретически (при использовании достаточно сложной схемы кодирования) информацию по каналу можно передавать с любой скоростью R (R < С) со сколь угодно малой вероятностью возникновения ошибки. Если же R > С, то кода, на основе которого можно добиться сколь угодно малой вероятности возникновения ошибки, не существует. В работе Шеннона показано, что величины S, N₀ и W устанавливают пределы скорости передачи, а не вероятности появления ошибки.

Выражение (4.1) можно преобразовать к виду

.                                                 (4.2)

C/W – нормированная пропускная способность канала, измеряемая в бит/с/Гц.

Существует нижнее предельное значение E_b/N₀, при котором ни при какой скорости передачи нельзя осуществить безошибочную передачу информации. С помощью соотношения

можно рассчитать граничное значение E_b/N₀.

Пусть

Тогда, из уравнения (4.2) получаем

 и .

В пределе, при C/W→0, получаем

 или .

Это значение z_b называется пределом Шеннона. На рис. 4.3 и 4.4 предел Шеннона – это кривая, которая при z_b=1.177 скачкообразно изменяет свое значение с lg(Р_b)=-0.301 (Р_b=1/2) на lg(Р_b)=-∞ (Р_b=0).

Из рисунков 4.3 и 4.4 видно, что QAM имеет большую помехоустойчивость по сравнению с QPSK, а при одинаковой помехоустойчивости квадратурная модуляция обладает большей пропускной способностью.

 

 

Заключение.

Стандарты WPA и 802.11i в достаточной степени надежны и обеспечивают высокий уровень защищенности беспроводных сетей. Тем не менее одного протокола защиты недостаточно — следует также уделять внимание правильному построению и настройке сети.

Физическая защита. При развертывании Wi-Fi-сети необходимо физически ограничить доступ к беспроводным точкам.

Правильная настройка. Парадокс современных беспроводных сетей заключается в том, что пользователи не всегда включают и используют встроенные механизмы аутентификации и шифрования.

Защита пользовательских устройств. Не следует полностью полагаться на встроенные механизмы защиты сети. Наиболее оптимальным является метод эшелонированной обороны, первая линия которой — средства защиты, установленные на стационарном ПК, ноутбуке или КПК.

Традиционные меры. Эффективная работа компьютера в сети немыслима без классических мер защиты — своевременной установки обновлений, использования защитных механизмов, встроенных в ОС и приложения, а также антивирусов. Однако этих мер на сегодня недостаточно, так как они ориентированы на защиту от уже известных угроз.

Мониторинг сети. Слабое звено в корпоративной сети — самовольно установленные точки доступа. Актуальной является задача локализации несанкционированных точек доступа. Специальные средства локализации точек доступа позволяют графически отображать место расположения «чужого» терминала на карте этажа или здания. Если классические методы не спасают от вторжения, следует применять системы обнаружения атак.

VPN-агенты. Многие точки доступа работают в открытом режиме, поэтому необходимо использовать методы защиты передаваемых данных. На защищаемом компьютере должен быть установлен VPN-клиент, который возьмет на себя решение этой задачи. Практически все современные ОС (например, Windows ХР) содержат в своем составе такие программные компоненты.

 

Литература.

1. Вишневский В.М, Портной С.Л, Шахнович И.В. “Энциклопедия WiMAX. Путь к 4 G”.Москва:Техносфера,2009г.

 

2. Шахнович И.В. “Современные технологии беспроводной связи”.Издание второе, исправленное и дополненное. Москва:Техносфера,2006г.

 

 

3. “Системы мобильной связи”. Учебное пособие для вузов/ В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М.Самойлов, В.Н.Смирнов. под ред. В.П. Ипатова.

М.:Горячая линия-Телеком,2003г.