Анализ, оценка и учет влияния помех радиопередающих устройств при построении беспроводных сетей с использованием технологии Wi-Fi в образовательных учреждениях

Маслов В.А., Финогеев А.Г. АНАЛИЗ, ОЦЕНКА И УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПРИ ПОСТРОЕНИИ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ WI-FI В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧЕРЕЖДЕНИЯХ

Широкое распространение беспроводных информационно-телекоммуникационных технологий уже стало реальностью сегодняшнего дня. Беспроводные мобильные системы и сети вошли в нашу жизнь и успешно применяются в различных сферах - от локального соединения устройств на расстояние нескольких метров, до построения региональных (в масштабе города и региона) и глобальных (спутниковых) широкополосных сетей. Наши исследования сосредоточены на анализе и оценке тех технологий, которые используют диапазоны частот от 2400 до 2483,5 МГц и от 5725 до 5875 МГц выделенные для использования «высокочастотными установками, предназначенными для промышленных, научных и медицинских целей». Эти диапазоны относятся к ISM-диапазонам ( Industrial, Scientific, Medical). В США постановлением FCC (Федеральной Комиссии по Коммуникациям) еще в 1986 году, и спустя несколько лет в Западной Европе, было официально разрешено безлицензионное использование ISM-диапазонов широкополосными средствами связи, и в частности для построения сетей по технологии Radio Ethernet, при условии ограничения мощности передатчика предельной величиной в 100 мВт, что вызвало рост беспроводных технологий связи. В России долгое время технологии беспроводных сетей не были популярны, в частности из-за сложности и высокой стоимости получения разрешений на использование данных частот. Это вызвало огромное отставание в прикладных научных исследованиях в этой области знаний. Только в 2003 году был упрощен порядок регистрации сетей, расположенных внутри дома, а в 2007 году опубликована информация о решении Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ), согласно которого было разрешено «строить локальные радиосети в частотном диапазоне 2400-2483,5 МГц на базе устройств с максимальной мощностью передатчика не более 100 мВт и максимальным коэффициентом усиления антенны 3,5 дБ только в пределах зданий, сооружений, закрытых промышленных и складских площадках» Без подобных ограничений разрешается строить локальные радиосети на базе устройств с максимальной мощностью передатчика не более 10 мВт.

Подобное решение наконец-то позволяет на законных основаниях развернуть такие сети в научных и учебных заведениях с целью повышения эффективности и качества учебного процесса университетах и проведения широкомасштабных исследований применения новых беспроводных технологий на практике.

Следует отметить, что особый практический интерес при построении обширных гетерогенных беспроводных сетей в университетах и других образовательных учереждениях представляет исследование взаимного влияния беспроводных устройств для построения персональных и локальных сетей, работающих в одинаковых диапазонах частот, но использующих разные стандарты передачи цифровой информации (для диапазона 2.4 ГГц - стандарты 802.11 b/g/n - WiFi, 802.15.4 - ZigBee, 6LoWPAN, 802.15.1 -

Bluetooth, для диапазона 5ГГц - стандарты 802.11 a/n - WiFi).

Применение персональных и локальных беспроводных сетей в образовательных учреждениях обеспечивает сотрудникам и учащимся мобильный доступ к информации, необходимой для учебного процесса, повышая эффективность процесса обучения.

Использование множества устройств, работающих в одном диапазоне, создает проблему помехоустойчивости и влияния радиопомех на производительность работы сети. Многие радиосистемы передают узкополосные сигналы. Они чувствительны к радиопомехам. Поэтому для повышения помехоустойчивости в каналах связи применяются методы расширения спектра передаваемого сигнала. В нашем случае была поставлена задача оценить величину негативного влияния различных беспроводных средств на работу устройств в зонах доступа Wi-Fi в сетевой инфраструктуре университета.

Для оценки взаимного влияния сетевого оборудования было проведено три экспериментальных исследования.

Анализ влияния соседних беспроводных сетей технологий WiFi.

Помехи для беспроводной сети могут создавать соседние WiFi сети, функционирующие в том же частотном диапазоне. Эти помехи, называемые внутриканальными, преобладают в сетях стандартов 802.11b и 802.11g. В диапазоне 2,4 ГГц есть только три неперекрывающихся канала (1, 6 и 11), при-

чем в некоторых случаях эти каналы приходится использовать повторно.

Для экспериментального исследования влияния внутриканальных помех были настроены две точки доступа D-link на 1-й канал. Затем протестирована скорость передачи данных от клиентского оборудования до одной из точек доступа при включенной и отключенной другой точки доступа и изменении расстояния между ними - 1 м, 10 м и 25 м. Снижение скорости передачи при включении второй точки доступа на расстоянии 1 м от первой в среднем составило 50%, на расстоянии 10 м - около 40 %, а при удалении на 25 м 25%.

Однако за счет интерференции внутриканальные помехи могут возникать и между устройствами Wi-

Fi, функционирующими на соседних частотных каналах. Например, рассмотрим 1 частотный канал с полосой от 2,401 до 2,423ГГц и 2 канал с полосой - от 2,406 до 2,428ГГц. Видно, что общий участок двух соседних каналов составляет примерно 78% от ширины канала, что также должно приводить к значительному снижению пропускной способности WLAN.

Эксперименты показали, что снижение скорости передачи канала связи до одной из точек доступа при работе второй в соседнем канале доходит примерно до 4 0% по сравнению с выключенной. В том случае, если обе точки доступа работают на неперекрывающихся частотных каналах, скорость в среднем падает на 10%. Это доказывает что, многолучевое распространение радиоволн в неперекрывающихся частотных каналах также вызывает интерференционные явления, генерирующие помехи во всех каналах.

2. Анализ влияния Bluetooth передатчиков на работу сетей WiFi.

В следующем эксперименте была исследована степень влияния работы Bluetooth модулей в частотном диапазоне 2,4 ГГц на скорость передачи информации между клиентами и точкой доступа WiFi.

^андарт 802.15.1 (Bluetooth) использует для доступа к каналу связи метод расширения спектра по

технологии скачкообразной перестройки частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum — FHSS). Это означает, что устройства практически ведут прием/передачу на 79 подканалах шириной 1 МГц во всем диапазоне 2,4 ГГц. При переключении частот примерно 1600 раз в секунду. Использование технологии FHSS повышает помехоустойчивость, т.к. снижается вероятность использования тех же частотных подканалов другими устройствами конкретный момент времени.

Для оценки влияния устройств Bluetooth на скорость передачи до точки доступа Wi-Fi стандарта 802.11g, работающей в диапазоне 2,4 ГГц был проведен следующий эксперимент. Точка доступа была установлена на расстоянии 3 м от ноутбука, а работающие устройства с Bluetooth модулями расположены между ними. При тестировании скорости на каждом из каналов было выявлено снижение скорости приема/передачи в среднем на 20%.

3. Анализ влияния работы беспроводный радиостанций.

Беспроводные радиотелефоны - также потенциальные источники интерференционных помех для работы локальных беспроводных WiFi сетей. Для эксперимента был выбран аналоговый беспроводной радиотелефон компании Voxtel, работающий на частоте 2,413 ГГц, т. е. в полосе 1 частотного канала стандарта 802.11b/g. Тестирование показало, что в момент переговоров по телефону происходит разрыв беспроводного соединения между клиентом и точкой доступа на 1 частотном канале, однако работа радиотелефона не мешает функционированию устройств локальной сети WiFi на каналах б и 11. Далее были проведены несколько тестов, в которых телефон удалялся от этих устройств на расстояние 10м, 25м и 40м соответственно. Когда телефон находился в 10м от точки доступа, скорость передачи на 1 канале снижалась на 98% (от максимального значения при отсутствии помех), при удалении на 25 и 40 м фиксировалось снижение скорости передачи на 25 и 5% соответственно.

В следующем эксперименте было исследовано влияние цифрового радиотелефона компании Siemens, работающего в том же частотном диапазоне 2,4-ГГц по технологии FHSS. Эксперимент показал, что размещение работающего телефона рядом с сетью Wi-Fi на расстоянии до 10 м может вызвать снижение скорости передачи данных максимум на 15%.

Результаты экспериментов показали, что в общем случае при построении беспроводных сетей для исключения влияния наведенных помех от других устройств на работу сетей WiFi более целесообразно использовать устройства, которые работают в другом частотном диапазоне, например, для сетей

стандартов 802.11b/g можно использовать диапазон 5 ГГц. Однако, они, в свою очередь, могут отри-

цательно влиять на сети стандарта 802.11a и 802.11n.

Литература

1. IEEE P802.11s/D1.08. Amendment: Mesh Networking. - IEEE, January 2008.

2. IEEE Std 802.11-2007. Wireless LAN Medium Access Control

Specifications. - IEEE, June 2007.

3. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.Л. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. - М.: Техносфера, 2005.

4. IEEE Std 802.11, 1999 Edition. Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer

(PHY) Specifications. - IEEE, August 1999.

5. IEEE P802.11s/D1.00. Amendment: Mesh Networking. - IEEE, November 2006.