Ασύρματο δίκτυο

Ως ασύρματο δίκτυο χαρακτηρίζεται το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο, συνήθως τηλεφωνικό ή δίκτυο υπολογιστών, το οποίο χρησιμοποιεί, ραδιοκύματα ως φορείς πληροφορίας. Τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, με συχνότητα φέροντος η οποία εξαρτάται κάθε φορά από τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που απαιτείται να υποστηρίζει το δίκτυο. Η ασύρματη επικοινωνία, σε αντίθεση με την ενσύρματη, δεν χρησιμοποιεί ως μέσο μετάδοσης κάποιον τύπο καλωδίου. Σε παλαιότερες εποχές τα τηλεφωνικά δίκτυα ήταν αναλογικά, αλλά σήμερα όλα τα ασύρματα δίκτυα βασίζονται σε ψηφιακή τεχνολογία και, επομένως, κατά μία έννοια, είναι ουσιαστικώς δίκτυα υπολογιστών.
Στα ασύρματα δίκτυα εντάσσονται τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, οι δορυφορικές επικοινωνίες, τα ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WWAN), τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WMAN), τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) και τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPAN). Τα τέσσερα τελευταία εξετάζονται σε αυτό το άρθρο. Η τηλεόραση και το ραδιόφωνο, αν και ως τηλεπικοινωνιακά μέσα είναι εκ φύσεως ασύρματα στις περισσότερες περιπτώσεις, δεν συμπεριλαμβάνονται στα ασύρματα δίκτυα, καθώς η μετάδοση γίνεται προς πάσα κατεύθυνση χωρίς να υπάρχει κάποιο δομημένο «δίκτυο» τηλεπικοινωνιακών κόμβων (συσκευών) με τη συνήθη έννοια. Επιπλέον, τα μεταφερόμενα δεδομένα συνήθως είναι αναλογικά και, επομένως, δεν μπορούν να θεωρηθούν δίκτυα υπολογιστών.

Ανίχνευση σφαλμάτων

Κατά τη μετάδοση δεδομένων εφαρμόζονται αλγόριθμοι ανίχνευσης σφαλμάτων στα ληφθέντα πλαίσια. Ανάλογα με το πρωτόκολλο επικοινωνίας, μόλις ο παραλήπτης αναγνωρίσει πως το πλαίσιο που έλαβε είναι εσφαλμένο είτε ζητά να του αποσταλεί ξανά (σύνηθες σε αξιόπιστες ενσύρματες γραμμές) είτε επιχειρεί να το επιδιορθώσει (σύνηθες σε ασύρματα δίκτυα). Στην τελευταία περίπτωση η διόρθωση είναι εφικτή με αλγορίθμους ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (FEC).
Και οι δύο μηχανισμοί υλοποιούνται με αθροίσματα ελέγχου που τοποθετεί ο αποστολέας στο τέλος του πλαισίου δεδομένων, ακολουθίες bit οι οποίες υπολογίζονται με ειδικό τρόπο και εξαρτώνται από τα εκπεμπόμενα δεδομένα. Αυτό που μεταδίδεται είναι η κωδικολέξη, το σύνολο των δεδομένων και του αθροίσματος ελέγχου, και όχι μόνο τα αρχικά δεδομένα. Οι αλγόριθμοι ανίχνευσης (άρτια ή περιττή ισοτιμία, CRC κλπ) στον παραλήπτη εξάγουν το άθροισμα ελέγχου από τη ληφθείσα κωδικολέξη και ελέγχουν αν ισούται με αυτό που θα έπρεπε να είναι -μία τιμή υπολογιζόμενη επί τόπου από τα ληφθέντα δεδομένα με τον ίδιο τρόπο που το υπολόγισε ο αποστολέας. Αν εντοπιστεί διαφορά σημαίνει πως υπήρξε κάποιο σφάλμα κατά τη μετάδοση. Οι αλγόριθμοι FEC επιπλέον διατηρούν μία λίστα έγκυρων κωδικολέξεων και σε περίπτωση που μία ληφθείσα κωδικολέξη είναι άκυρη αντικαθίσταται από την πιο κοντινή της κατά Hamming (δηλαδή bit προς bit) στην εν λόγω λίστα. Υπάρχουν πρωτόκολλα που υλοποιούν τόσο FEC όσο και αλγορίθμους ανίχνευσης σφαλμάτων (συνήθως CRC), ώστε αν ο FEC αποτύχει να επιδιορθώσει ένα πλαίσιο να ζητηθεί επανεκπομπή του.
Μία άλλη σημαντική μέθοδος αντιμετώπισης σφαλμάτων στις ασύρματες επικοινωνίες, για τον χειρισμό των ξαφνικών ριπών θορύβου, είναι το Block Interleaving: αντί να εκπέμπονται μεμονωμένα πλαίσια με ενσωματωμένα αθροίσματα ελέγχου, πολλά διαφορετικά πλαίσια αναμειγνύονται με κάποιον προκαθορισμένο τρόπο σε επίπεδο bit και ο παραλήπτης τα αποπλέκει καταλήγοντας στα αρχικά πλαίσια. Έτσι, μία ριπή θορύβου διαμοιράζεται σε πολλά πλαίσια καταστρέφοντας μικρό μέρος του καθενός αντί να καταστρέψει ολοσχερώς ένα πλαίσιο. Η κατάσταση αυτή αντιμετωπίζεται με FEC.

Μικροκύματα

Τα μικροκύματα έχουν αντίθετες τηλεπικοινωνιακές ιδιότητες από τις υπέρυθρες (π.χ. η εμβέλειά τους μπορεί να φτάσει τα 30-50 μέτρα ανεξαρτήτως εμποδίων ή τοίχων), άρα οι εφαρμογές τους διαφέρουν σημαντικά. Στην περίπτωση των WLAN διασποράς φάσματος υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας: ομότιμα, όπου δεν υπάρχει κάποιος κεντρικός σταθμός βάσης / σημείο πρόσβασης, οι κόμβοι είναι ισότιμοι και η πρόσβαση στο κοινό μέσο ρυθμίζεται από κάποιο κατανεμημένο πρωτόκολλο όπως το CSMA (έτσι λειτουργούν τα ad hoc WLAN), και με σημείο πρόσβασης, έναν κεντρικό κόμβο του τοπικού δικτύου -συνήθως συνδεδεμένο σε ενσύρματο δίκτυο κορμού (π.χ. στο Internet ή σε κάποιο μεγάλο Ethernet LAN)- ο οποίος αναλαμβάνει τον έλεγχο πρόσβασης στο κοινό μέσο και δρα ως αμφίδρομος επαναλήπτης.
Τα WLAN με σημείο πρόσβασης ονομάζονται δίκτυα υποδομής ή δομημένα (infrastructure). Το σύνηθες μοντέλο που περιγράφει τέτοια δίκτυα είναι το εξής: υπάρχει ένα ενσύρματο δίκτυο κορμού (σύστημα κατανομής, DS) στο οποίο συνδέονται τα σημεία πρόσβασης (AP). Μία ομάδα κοινών κόμβων (STA) που επικοινωνούν ασύρματα με ένα συγκεκριμένο AP σε συγκεκριμένη συχνότητα ονομάζεται Βασικό Σύνολο Υπηρεσιών (BSS). Τα BSS διασυνδέονται μεταξύ τους μέσω του DS. Μπορεί τα STA ενός BSS να μην είναι όλα στην εμβέλεια όλων των άλλων, αλλά πρέπει οπωσδήποτε όλα να είναι στην εμβέλεια του σημείου πρόσβασης.

Κινητό IP

Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα σχεδιάστηκαν με γνώμονα να αποτελέσουν τμήματα του Διαδικτύου και γι' αυτό δεν προδιαγράφεται στα περισσότερα πρότυπα της κατηγορίας επίπεδο δικτύου: μπορούν να ενοποιηθούν με το Internet μέσω της στοίβας πρωτοκόλλων TCP/IP, κάτι εφικτό από τη στιγμή που το υποεπίπεδο LLC τους είναι το τυπικό 802.2 και παρέχει μία κοινή διασύνδεση στο ανώτερο επίπεδο, είτε από κάτω του βρίσκεται Ethernet, είτε WiFi είτε οτιδήποτε άλλο. Όμως τόσο το βασικό πρωτόκολλο δικτύου του Internet, το IP, όσο και το βασικό πρωτόκολλο μεταφοράς, το TCP, δεν έχουν βέλτιστη απόδοση σε WLAN με κινητούς κόμβους γιατί σχεδιάστηκαν πριν από πολλές δεκαετίες με δεδομένο ότι οι κόμβοι είναι σταθεροί, οι συνδέσεις αμετάβλητες και ο ρυθμός σφαλμάτων μετάδοσης ή απώλειας πακέτων χαμηλός.
Λόγω της διαρκούς μεταβολής της τοπολογίας των WLAN (κόμβοι εισέρχονται, εξέρχονται, μετακινούνται) και του υψηλού θορύβου που καθιστά τα ασύρματα κανάλια αναξιόπιστα, το TCP, το οποίο είναι συνδεσμοστρεφές και αξιόπιστο, υποφέρει στα WLAN από καθυστερήσεις στην επικοινωνία λόγω καταστροφής των συνδέσεων και αποτυχημένων μεταδόσεων (με επιπλέον παρενέργεια τη μικρή αξιοποίηση του φυσικού μέσου γιατί ο έλεγχος ροής του TCP μειώνει εσφαλμένα το παράθυρο του αποστολέα, νομίζοντας ότι ο παραλήπτης δεν μπορεί να αντεπεξέλθει ενώ στην πραγματικότητα τα πακέτα απλά χάθηκαν λόγω υψηλού θορύβου), το UDP παραμένει μάλλον ανεπηρέαστο αλλά έτσι κι αλλιώς είναι ασυνδεσμικό και αναξιόπιστο πρωτόκολλο, ενώ το IP, το οποίο είναι αναξιόπιστο και στηρίζεται στα ανώτερα επίπεδα για να διασφαλιστεί η ορθή παράδοση των δεδομένων, παρουσιάζει αστοχίες στη δρομολόγηση και πάσχει από το πρόβλημα της κινητικότητας. Το τελευταίο έγκειται στο ότι ένας κόμβος συνδεδεμένος σε ένα IP υποδίκτυο Α, εκ του οποίου προκύπτει μία μοναδική διεύθυνση IP (έστω Χ) του κόμβου, αν μετακινηθεί σε άλλο υποδίκτυο Β, τα πακέτα που απευθύνονται σε αυτόν δεν θα δρομολογούνται πλέον σωστά, αφού θα εξακολουθήσουν να παραδίδονται στο υποδίκτυο Α λόγω της μορφής της διεύθυνσης Χ.
Έτσι, προέκυψε το πρωτόκολλο δικτύου Mobile IP, πλήρως συμβατό με το IP, που επιλύει αυτό το ζήτημα. Σε αυτό κάθε σταθμός αναγνωρίζεται μονοσήμαντα από μία σταθερή, οικεία διεύθυνση IP, η οποία αντιστοιχεί στο οικείο δίκτυό του, και όταν μετακινείται σε άλλο υποδίκτυο του ανατίθεται και μία δεύτερη προσωρινή διεύθυνση. Στο οικείο δίκτυο υπάρχει ένας κόμβος, ο οικείος πράκτορας, ο οποίος ουσιαστικά υλοποιεί το Mobile IP διατηρώντας διαρκώς αντιστοιχίες μεταξύ οικείας και προσωρινής διεύθυνσης και ανακατευθύνει έτσι τα πακέτα που απευθύνονται στον μετακινημένο σταθμό προς την ορθή προσωρινή διεύθυνση. Στον σταθμό τα πακέτα παραδίδονται από τον ξένο πράκτορα, δηλαδή τον οικείο πράκτορα του δικτύου στο οποίο μετακινήθηκε. Μια πιθανή βελτιστοποίηση είναι η παράκαμψη του οικείου πράκτορα με άμεση ενημέρωση του αποστολέα για την προσωρινή διεύθυνση του παραλήπτη.