УДК 004

Организация сети беспроводной передачи данных на базе стандарта IEEE 802.11n

Гайнуллов Фариз Искандерович – магистрант кафедры Систем автоматизации и управления технологическими процессами Казанского национального исследовательского технологического университета.

Галямов Роман Равилевич – старший преподаватель кафедры Систем автоматизации и управления технологическими процессами Казанского национального исследовательского технологического университета.

Шарифуллина Альбина Юрьевна – старший преподаватель кафедры Систем автоматизации и управления технологическими процессами Казанского национального исследовательского технологического университета.

Аннотация: В данной статье рассматривается организация беспроводной сети передачи данных внутри здания. Для организации сети предлагается использовать стандарт IEEE 802.11n, а для ее фактической реализации следующее оборудование: медиаконвертер DMC-1530SC для преобразования сигнала волоконно-оптической сети в сигнал электрической природы Ethernet, беспроводные базовые станции Ubiquiti UniFi AC LR, коммутатор HP V1910-48G для сегментации сети в системе передачи данных, маршрутизатор Ubiquiti EdgeRouter PoE ERPoe-5 для обслуживания сети и сетевой адаптер TL-WDN4800. В статье также приведены основные этапы расчета беспроводной сети.

Ключевые слова: Wi-Fi, стандарт IEEE 802.11n, информационные характеристики сети, энергетические параметры сети, маршрутизатор, точки доступа.

Введение: В настоящее время стремительное развитие в области информационных коммуникаций получили беспроводные сети различных стандартов. Это связано с удобством их использования, дешевизной, а также хорошей пропускной способностью. Отсутствие зависимости от проводных телефонных и компьютерных сетей позволяет действовать пользователям сети эффективнее и продуктивнее, так как отсутствует привязанность к определенным информационным коммуникациям.

Беспроводная локальная сеть Wi-Fi – это стандарт широкополосной беспроводной связи семейства 802.11, которая является одним из наиболее быстро развивающихся сегментов телекоммуникаций [1].

Цель: В настоящей статье предлагается рассмотреть организацию сети беспроводной передачи данных в здании. В рамках этой задачи необходимо принять во внимание следующие аспекты: выбор оборудования, расчет информационных характеристик и энергетических параметров сети, частотно-территориальное планирование, разработка схемы организации связи и план размещения оборудования внутри здания.

Результаты исследований. Для фактической реализации беспроводной сети в здании на базе стандарта IEEE 802.11n предлагается использовать следующее техническое оборудование:

1. Медиаконвертер DMC-1530SC. Он предназначен для передачи информации по двум одномодовым оптическим волокнам на расстояние до 30 км, на скорости 100 Мбит/с и длине волны 1310 нм.

2. Маршрутизатор Ubiquiti EdgeRouter PoE ERPoe-5 - это 5-портовый маршрутизатор с поддержкой Power over Ethernet (PoE). Данный маршрутизатор способен обеспечить питанием по технологии Passive PoE различные устройства, которые поддерживают этот стандарт (24V/48V Passive PoE).

3. Коммутатор HP V1910-48G. Данные коммутаторы работают с полной поддержкой интернет-протокола IPv6, функцией приоритизации трафика(QoS) и функциями безопасности, такими как 802.1X, списки контроля доступа (ACL).

4. Беспроводные базовые станции Ubiquiti UniFi AC LR. Они имеют внутреннюю двухдиапазонную антенну. Максимальная скорость передачи данных составляет 867 Мбит/сек.

5. Сетевой адаптер TL-WDN4800. Данный адаптер поддерживает протокол передачи данных 802.11n и способен обеспечивать скорость передачи данных до 450 Мбит/с и работать в 2 частотных диапазонах.

В основу предлагаемого расчета информационных характеристик положена методика Назарова. Согласно этой методике, при известных количестве абонентов на каждом объекте и интенсивности потоков пакетов, генерируемыми абонентами каждой службы, ожидаемая нагрузка на объекте i K-ой службы определяется по формуле (1):

(1)

где  – число абонентов K-ой службы на объекте i;  – число заявок, поступающих от абонента K-ой службы в единицу времени, равное (2):

(2)

где  – число вызовов K-ой службы в час наивысшей нагрузки (ЧНН); – средняя длительность сеанса связи абонента в единицу времени; – максимальная скорость K-ой службы.

Обеспечение функционирования информационной сети будет осуществляться при помощи маршрутизатора. Суммарная ожидаемая нагрузка на маршрутизатор сети определяется по формуле (3) [2,3,4]:

(3)

Исходные данные для расчета суммарной ожидаемой нагрузки представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные.

№ услуги	Название услуги	количе­ство пользо­вателей
1	Электронная почта (внешняя)	60	20	512 кбит/с	2
2	Internet (Web-сайты)	60	30	3 Мбит/с	2
3	Передача и загрузка файлов больших размеров	60	20	3 Мбит/с	300
4	Видеокон­ференция	10	5	2 Мбит/с	600
5	Доступ к серверу предприятия (локальная сеть)	60	20	3 Мбит/с	120
6	Голос	60	30	64 кбит/с	180

Для реализации каждой услуги необходимо определить минимальную пропускную способность маршрутизатора и его нагрузку на прикладном уровне:

- для 1 услуги:

кбит/с

- для 2 услуги:

кбит/с

- для 3 услуги:

кбит/с

- для 4 услуги:

кбит/с

- для 5 услуги:

кбит/с

- для 6 услуги:

кбит/с

В результате суммарная нагрузка на маршрутизатор сети на прикладном уровне составит:

Суммарная нагрузка на маршрутизатор сети на транспортном уровне увеличится на величину  В результате ожидаемая нагрузка на транспортном уровне составит:

а нагрузка на сетевом уровне:

Таким образом, общая нагрузка на маршрутизатор сети составит не менее 459,96 Мбит/c. Для данной сети рекомендуется использовать интерфейс 1000BaseT и выше.

При проведении расчета энергетических параметров сети необходимо учитывать общие потери при распространении радиоволн.

Общие потери при распространении радиоволн определяются:

(4)

где - потери в свободном пространстве; - потери в стенах внутри здания; -потери из-за помех и замирания сигнала.

Расчет значений дальности связи проводится по методике расчета потери в свободном пространстве  (Free Space Loss). Потери в свободном пространстве определяются по формуле (5):

(5)

здесь – центральная частота канала, на котором работает система связи, МГц;  – расстояние между двумя точками, км.

Также  можно определить по формуле (6):

(6)

где  (System Operating Margin) - запас в энергетике радиосвязи, дБ; - суммарное усиление приемо-передающей системы. Обычно  принимается равным 10 дБ, так как считается, что 10-децибельный запас по усилению достаточен для проведения инженерного расчета.

Суммарное усилие мощности приемо-передающей системы рассчитывается по следующей формуле (7):

(7)

где  – мощность передатчика, дБмВт;  – коэффициент усиления передающей антенны, дБ;  – коэффициент усиления приемной антенны, дБ;  – чувствительность приемника на данной скорости, дБ мВт;  – потери сигнала в кабеле и разъемах передающего тракта, дБ;  – потери сигнала в кабеле и разъемах приемного тракта, дБ;  – ослабление электромагнитной волны в предметах (потери). В связи с тем, что оборудование располагается в пределах одной комнаты, то потенциально возможными потерями можно пренебречь.

С учетом вышеизложенного дальность связи можно рассчитать:

(8)

Также следует определить максимально возможное затухание сигнала для маршрутизатора. В таблице 2 приведены числовые значения ослабления сигнала при его прохождении через различные преграды [2,3,4].

Таблица 2. Значения ослабления сигнала в преградах.

Наименование	Затухание, дБ
Окно в кирпичной стене	2
Офисная стена, 13/50 см	1,2/9
Железная дверь в офисной стене	7
Железобетонных плитах перекрытий	12
Железная дверь в кирпичной стене	12,4
Дверь стандартная деревянная с ДВП стенками	0,5
Стекло	3-20

Представленный в настоящей статье пример расчета будет выполнен для наиболее сложного случая, когда радиосигналу предстоит пройти через препятствия в виде двух несущих и двух межкомнатных стен, выполненных из кирпича (9 дБ, 9дБ, 1,2 дБ, 1,2 дБ).

В проекте предлагается использоваться следующие технические средства - беспроводные базовые станции Ubiquiti Unifi AP LR и сетевой адаптер TL-WDN4800. Выходная мощность каждой беспроводной базовой станции Ubiquiti Unifi AP LR составляет 27 дБ, коэффициент усиления двух внутренних антенн 3 дБ. Выходная мощность сетевого адаптера TL-WDN4800 составляет 20 дБ, коэффициент усиления каждой из трех съемных дипольных антенн составляет 2 дБ. Для связи будут использоваться каналы с удвоенной шириной полосы пропускания 40 МГц.

Чувствительность указанных устройств в зависимости от скорости передачи данных и индекса MCS приведена в таблице 3.

Таблица 3. Чувствительность используемых устройств.

MCS	Скорость, Мбит/с	Чувствительность, дБ дБмВт
0/8	15/30	-84
1/9	30/60	-81
2/10	45/90	-79
3/11	60/120	-75
4/12	90/180	-73
5/13	120/240	-68
6/14	135/270	-66
7/15	150/300	-65

Усиление системы, потери в свободном пространстве и дальность связи рассчитываются в зависимости от скорости передачи данных:

-  для скорости 15/30 Мбит/с:

дБ

;

- для скорости 30/60 Мбит/с (MCS 1/9):

дБ

;

- для скорости 45/90 Мбит/с (MCS 2/10):

дБ

;

- для скорости 60/120 Мбит/с (MCS 3/11):

дБ

;

-  для скорости 90/180 Мбит/с (MCS 4/12):

дБ

;

- для скорости 120/240 Мбит/с (MCS 5/13):

дБ

;

- для скорости 135/270 Мбит/с (MCS 6/14):

дБ

;

- для скорости 150/300 Мбит/с (MCS 7/15):

дБ

;

Как видно из расчета, максимальную скорость передачи данных – 150 Мбит/с беспроводная базовая станция может обеспечить на расстоянии, примерно, 20м. С вводом в зону обслуживания новых клиентов, расчетная скорость каждого клиента будет уменьшаться прямо пропорционально числу пользователей.

Также следует осуществить настройку соседних беспроводных базовых станций на неперекрывающиеся по частотам каналы 1, 6, 11, и малоперекрывающийся канал 5. Это позволит избежать взаимных помех, увеличить зону действия сети, а также увеличить скорость передачи информации для каждого клиента.

Кроме этого, для каждого канала необходимо рассчитать величину усиления сигнала и дальность его действия:

- для первого канала:

дБ

;

- для пятого канала:

дБ

;

- для шестого канала:

дБ

;

- для одиннадцатого канала:

дБ

;

Так как в рамках решаемой задачи беспроводной сетью необходимо охватить 2 этажа, то на втором этаже базовые станции будут настроены таким образом, чтобы повторяющиеся каналы не находились друг над другом [5].

Рисунок 1. Схема радиочастотного покрытия 1-го этажа.

Рисунок 2. Схема радиочастотного покрытия 2-го этажа.

План размещения оборудования и схема организации связи представлены на рисунках 3 и 4 соответственно.

Рисунок 3. Схема организации связи.

Рисунок 4. План размещения оборудования.

Всего предполагается использовать 8 беспроводных базовых станций по четыре на каждом этаже. Объединение всех беспроводных базовых станций в одну локальную сеть предлагается выполнить посредством проводной инфраструктуры. Сегментация сети в системе передачи данных будет реализована с помощью коммутатора HP v1910 48G, а его соединение с беспроводными базовыми станциями с помощью кабеля CAT-5e с коннектором RJ-45. По одному порту коммутатора будет задействовано для присоединения маршрутизатора, сервера и персонального компьютера, предназначенного для управления сетью. Доступ к сети Internet будет обеспечивать маршрутизатор, а его связь с коммутатором будет реализована через uplink-порт посредством витой пары. Связь оператора с основной сетью по волоконно-оптическому кабелю будет осуществляться через медиаконвертер DMC-1530SC. Коммутатор и маршрутизатор будут смонтированы в стойку, находящейся в серверной, которая располагается на первом этаже здания [5].

Заключение: Проект беспроводной сети организован на основе стандарта IEEE 802.11n с применением 8 беспроводных базовых станций. Информационная нагрузка на сеть передачи данных составит не менее 459,96 Мбит/c, суммарное усиление на каждом канале – 76,6 дБ, дальность действия сигнала – 20 м, а рабочий диапазон частот – 2,4 ГГц. В результате внедрения спроектированной беспроводной сети на реальном объекте будет обеспечена бесперебойная высокоскоростная передача информации, что является весьма актуальной задачей.

Список литературы

1. Галямов Р.Р., Шарифуллина А.Ю., Промышленный Wi-Fi в системах автоматизации технологических процессов // Наука и бизнес: пути развития, 2021, №11
2. Chupaev, A.V., Zaripova, R.S., Galyamov, R.R., Sharifullina, A.Y., The use of industrial wireless networks based on standard ISA-100.11a and protocol WirelessHART in process control / E3S Web of Conferences. 2019, т.124
3. В.Г.Олифер, Н.А.Олифер, Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы, Питер, Санкт-Петербург, 2010, 944с.
4. П. Рошан, Дж. Лиэри, Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11: Пер.с англ.,Издательский дом «Вильямс», Москва,2004,304с.
5. А.К.Щербаков, Wi-Fi все что вы хотели знать, но боялись спросить», Бук-Пресс,2005,129 с.