Trådløst netværk – en teknisk baggrund

1. Hvad er RadioLAN (RLAN)?

I et RLAN skabes forbindelserne mellem klienter og centrale enheder af et trådløst medie som f.eks. Radio Frekvens (RF) eller InfraRød (IR). Dette tillader klienter at være forbundet til netværket uden at miste mobilitet eller være afhængig af fysisk kabling. Den typiske trådløse forbindelse udgøres af en klient i form af en notebook eller en PDA med indbygget trådløst netværkskort, evt. via et PCCARD-interface. Forbindelsen mellem det fysiske LAN og den trådløse klient skabes typisk ved hjælp af et Access Point (AP), som kan servicere et samtidigt antal trådløse klienter. Et AP kan være forbundet som en alm. node på det kablede netværk og fungere som gateway for de trådløse klienter.

Rækkevidden af disse systemer afhænger i høj grad af den tekniske opbygning og de fysiske forhold, bl.a. bygningers struktur og placering, og kan således være fra en snes meter op til 1 kilometer udendørs med frit sigte. Ligesom GSM-systemet er RLAN i stand til at roame, d.v.s. flytte en klient fra et AP til et andet. Dette tillader et RLAN med flere APer at dække et større område, f.eks. en samling bygninger, på tværs af veje og lignende.

En vigtig feature ved et RLAN er, at det kan opbygges og fungere uafhængigt af et fysisk kablet netværk. Et eksempel kan være en gruppe konsulenter der arbejder i en kundes lokalitet. Hvis hver konsulent har en notebook med et RLAN kort, kan gruppen forbindes indbyrdes, uden at skulle have tilgang til kundens kablede netværk. En af gruppens medlemmer kan udpeges og fungere som server, eller der kan etableres et RLAN som peer-to-peer (punkt-til-punkt) netværk.

Omkostningerne i forbindelse med et RLAN begrænses til etableringsomkostninger og udgiften til et minimalt strømforbrug. Der er ikke tale om licensbetaling for brug af radiokanaler eller lignende, idet RF RLAN er baseret på kommunikation i det licensfrie bånd på 2.4-2.5 og 5 GHz. Der stilles dog krav om EU typegodkendelse af udstyret. 2.4 og 5 GHz båndene er frigivet som licensfrie af den Internationale Telekommunikations Union (ITU) og er således frit tilgængelig i de fleste lande verden over. Desværre stilles der forskellige begrænsninger i en del lande, hvorfor produkterne via software kan begænses, f.eks. til et bestemt antal radiokanaler.

2. Teknologi

Det ligger uden for dette skrifts rammer, at beskrive teknologierne bag RLAN i detaljer, men som med mange nye typer produkter, er det en fordel for den potentielle kunde/bruger, at kende til nogle af de tekniske detaljer som påvirker måden et produkt virker eller bruges på. Uden et vist kendskab til de bagvedliggende teknologier, er det svært for en kunde/bruger at differentiere de forskellige produkter, og foretage det rette valg. De nødvendige tekniske aspekter er ikke altid så åbenlyse. I et kablet netværk kan man altid gå ud fra, at hvis en forbindelse skabes, er den statisk. I et trådløst netværk vil der altid være tale om et kompromis mellem robusthed/stabilitet og hastighed.

2.1 Kritiske specifikationer

Umiddelbart er de første to spørgsmål, en kunde til et RLAN stiller, ”Hvad er rækkevidden?” og ”Hvor hurtigt er det?”. Men der er flere aspekter der er kritiske ved valg og opbygning af et RF RLAN, ikke kun valg af protokol og lignende, men også ”Hvor robust og interferens-modstandsdygtigt er netværket?” Dette er specielt vigtigt, når kommunikationen foregår på et åbent licensfrit radiobånd. På et åbent radiobånd er der mange muligheder for interferens og andre problemer, selv om systemet er designet til at arbejde i et sådant miljø.

Muligheden for at opbygge et RLAN som et dynamisk skalérbart netværk, er kritisk for valget af RLAN produkter, herunder modstandsdygtigheden overfor interferens, idet interferens er en begrænsende faktor for skaleringen og kompleksiteten af et RLAN, inklusive antallet af klienter på en given lokalitet.

2.2 Radio Frekvens Systemer

Der er to hovedteknologier at vælge imellem, når man opbygger et RLAN; Radio Frekvens (RF) og InfraRød (IR). Forskellene gør dem egnede til forskellige typer installationer, og produkterne er optimeret til at drage nytte af de to forskellige teknologiers fordele.

RF har sin styrke i kommunikation over længere afstande og i miljøer uden frit sigte. RF signaler sendes relativt ubesværet gennem f.eks. skillevægge og kommunikerer fint, hvor der ikke er nogen direkte linie mellem enhederne. For at kunne udnytte det licensfrie radiospektrum, kaldet ISM (Industrial, Scientific and Medical), arbejder systemet ved hjælp af en modulationsteknik kaldet Spread Spectrum (SS). Teknologien tillader en radio at sende et signal over et spektrum af radiokanaler, og ikke på en enkelt frekvens. På denne måde undgår man, at en enkelt bruger dominerer radiobåndet (den enkelte frekvens) og opnår at alle brugere samlet ses som radiostøj. Spread Spectrum blev udviklet af militæret under 2. Verdenskrig til brug for sikker kommunikation, og systemet med at alle brugerne samlet opfattes som radiostøj, gør det svært at lokalisere de enkelte signaler og aflytte eller forstyrre dem. Teknikken matcher fint betingelserne for et RLAN og gør det naturligt sværere for en uvedkommende at aflytte eller interferere.

Brugen af Spread Spectrum er specielt vigtig mht antallet af samtidige brugere, idet teknikken tillader et langt større antal end hvis hver bruger brugte hver sin faste frekvens. Ethvert radiosystems store begrænsning ligger i den tilgængelige båndbredde, og evnen til at operere med mange samtidige brugere i et givent miljø, er kritisk for en succesfuld implementation af et RLAN.

Der er flere forskellige frekvensbånd tilrådighed for licensfri brug, de mest brugte er 902-928 MHz, 2.4-2.5 Ghz og 5.7-5.8 Ghz. Af disse er de to sidste de mest brugbare, specielt 2.4 GHz båndet, idet det er tilgængeligt i praktisk talt hele verden. Gennem de senere år er stort set alle kommercielle produkter og nye IEEE standarder baseret på 2.4 GHz båndet. 900 MHz båndet bruges mest til andre typer systemer, og er kun tilgængeligt i USA, samtidig med at det har en stærkt begrænset båndbredde. På de licensfrie bånd er der en nøje begrænsning af den tilladte sendestyrke, således at båndet kan bruges af mange systemer, selv om de er placeret fysisk i nærheden af hinanden, og uden interferens. Princippet ligner til forveksling teknikken bag mobiltelefonsystemet GSM.

1.3 InfraRøde systemer

Den anden teknologi der bruges til RLAN er Infrarød, hvor kommunikationen foregår via infrarødt lys. Systemet kan anbefales i særlige miljøer, hvor rækkevidden ikke behøver at være mere end ca. 3 meter, hvor enhederne har frit sigte til hinden, og hvor særlige begrænsninger kan forhindre opbygningen af et trådløst netværk via radiosignaler. Infrarødt lys kan ikke sendes gennem vægge og har meget svært ved at trænge gennem f.eks. termoruder, så brugen i almindelige miljøer, f.eks. kontorhuse og industrielle komplekser kan ikke anbefales.

Typiske eksempler på brugen af infrarøde produkter er, hvor rækkeviden ikke behøver at være særlig stor, og hvor effektforbruget er kritisk, f.eks. i en PDA eller en mobiltelefon. Den mest udbredte standard er IrDA, som er blevet standard i de fleste notebooks, hvor man bruger systemet til synkronisering med PDA, mobiltelefon eller en dockingstation. Teknikken tillader kommunikation over ca. 1 meter ved frit sigte og en hastighed på op til 1 Mbit.

Sådanne produkter arbejder peer-to-peer og ikke som et decideret netværk, hvilket gør det vanskeligt at bruge mellem flere end 2 enheder, men tilbyder samtidig en forhøjet sikkerhed, idet kun den enhed lysstrålen rettes imod, kan opfange signalet. Egentlige netværkssystemer er udviklet og kan leveres af Danbit A/S. Disse systemer bruger diffust infrarødt lys og enhederne sender mere bredt ud, men rækkevidden er stadig begrænset til ca. 8 meter, og kan ikke gennemtrænge f.eks. vægge. Den øgede sikkerhed undermineres dog af den mere brede udsendelse af lysstrålerne, hvilket gør det muligt for andre enheder end den tiltænkte, at opfange signalerne.

1.4 Spread Spectrum implementation

Der bruges to principper indenfor Spread Spectrum modulation på ISM båndet: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) og Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS).

2.4.1 Direct Sequence Spread Spectrum

Princippet bag DSSS er, at systemet tager en givent signal på en given frekvens, og spreder det ud på en række frekvenser (frekvensbånd), hvor centerfrekvensen bærer det originale signal. Spredningsalgoritmen, hvorefter spredningen sker, ændres i forhold til et tilfældigt mønster, med en bestemt tidsfaktor, for at give indtrykket af radiostøj. Styrken ved systemet er, at når forholdet mellem det originale signals båndbredde og det spredte signals båndbredde er størst, giver det en høj grad af immunitet overfor interferens. For eksempel vil et 1 Kbit signal spredt over et 1 GHz spektrum give et signal/støjforhold svarende til 60 dB. Denne type system bruges indenfor militær kommunikation, da det er meget vanskeligt at lokalisere og endnu mere vanskeligt at interferere.

2.4.2 Frequency Hopping Spread Spectrum

Basalt set er et FHSS system ikke meget anderledes end en bilradio, hvor man vælger forskellige radiokanaler ved at trykke på én ud af en stribe kanaltaster. Selv om hver sending på en given frekvens er kort, vil en båndbredde på f.eks. 1 Mbit eller mere, give bare en brøkdel af et sekund mulighed for overførsel af en betragtelig datamængde.

FHSS er et meget mere simpelt system at forstå end DSSS. Det er baseret på at et givent signal sendes på en bestemt frekvens et kort tidsrum, for derefter at flytte til en anden frekvens. Sekvenser af frekvenser (”hvor vil signalet blive sendt næste gang?”) er kun tilsyneladende tilfældig, idet der bruges en fastlagt række af frekvenshop på mere end 65.000, så det ser ud til at være tilfældigt. Da en utilsigtet ”lytter” ikke ved hvor i sekvensen senderen befinder sig, er det ganske svært at forudsige den næste radiokanal, med mindre man er i besidelse af meget avanceret aflytnings- og dekodningsudstyr. Dette princip gør FHSS ganske robust overfor uautoriseret lytning og interferens.

FHSS giver en meget robust kommunikation, hvor det statistisk er nærmest umuligt af blokere alle de mulige frekvenser og der ikke er den samme afhængighed af en ”spredningsgrad” som ellers er så kritisk vigtig for DSSS systemet. Imuniteten overfor interferens afgøres ikke ved den i DSSS systemet matematiske spredningsalgoritme, men ved hardwarens effektivitet ved filtreringen af signaler som ikke er på den aktuelle frekvens. I et standard FHSS RLAN system filtreres gennem to trin med over 100.000 gange afvisning af uønskede signaler, hvilket giver et signal/støjforhold på over 50 dB.

1.5 DSSS sammenlignet med FHSS

DSSS teknologien er basalt set en matematisk løsning, så det er formålstjenstligt at sammenligne DSSS og FHSS ud fra en matematisk tilgangsvinkel. Der er nogle stærke argumenter imod DSSS, som bedst belyses ved en sådan matematisk analyse.

Evnen til at modstå interferens i et radiosystem kaldes signal/støjforhold og kan udtrykkes ved forholdet mellem det interferende signal og det tilsigtede signal i et fungerende system. I et FHSS baseret system er forholdet ca. 50 dB.

2. Specifikationer

Der er andre faktorer der påvirker valget mellem de to teknologier.

3.1 Data rate

På grund af spredningsraten er et DSSS system i praksis hurtigere end et FHSS system. Det effektive throughput er højere med DSSS på grund af den ubrudte sendning af datapakker, hvorimod et FHSS system bruger en del af tiden på frekvenshop og re-synkronisering.

Nogle produkter har en indbygget kompressionsalgoritme, som kan højne den effektive overførselshastighed med 50-100%, dog afhængigt af hvilken type data der transmitteres. Algoritmen vil typisk kunne pakke tekstdokumenter i forholdet 3:1, og en optimeret algoritme for video vil typisk kunne opnå et forhold på op til 100:1. Derfor er kompression mest effektiv når man skræddersyr et radiosystem til en bestemt type datatrafik.

3.2 Rækkevidde

Når man snakker rækkevidde, er der en teoretisk marginal forskel på DSSS og FHSS baserede systemer. Men den største forskel på rækkevidde vil være defineret af typen og placeringen af antenner samt det omgivende miljø, ikke af hvilket spread spectrum system der bruges.

Antenna Diversity er en af de mest betydende faktorer i forhold som rækkevidde og hastighed i et RLAN, specielt i udkanten af dækningsområdet – marginalområdet. Antenna Diversity er et princip hvorefter man tilslutter flere fysisk adskilte antenner for at omgå problemer med reflektioner på huse, træer og andre ting i miljøet. Reflektionerne giver brudstykker af signaler og tilfældige peaks, som opfanges af antennerne, faktisk lidt det samme som de bølgesprøjt der forekommer ved Skagens Gren, hvor 2 bølgegange mødes og skaber tilfældige peaks (bølgetoppe). Når to antenner placeres en kvart bølgelængde fra hinanden – på 2.4 GHz båndet ca. 20 cm – er det statistisk set meget sjældent at begge antenner vil være i en bølgedal på samme tid, hvor imod en enkelt antenne en del af tiden vil befinde sig i en bølgedal eller en bølgetop.

Store antenner som placeres højt over jorden vil altid give en større rækkevidde end små antenner placeret på et PCMCIA-kort i en notebook eller på bagsiden af en stationær PC. Rækkevidden der kan opnåes med de forskellige typer produkter er derfor forskellig. De fleste PC/PCMCIA-kort har den korteste rækkevidde (30-50 meter), APer med 2 fastmonterede antenner typisk op til 70 meter og enheder med eksterne fritplacerede antenner kan opnå rækkevidder på flere kilometer. I de fleste implementationer vil den bedre antenne på et AP opveje den dårlige rækkevidde i klienternes netkort, men vil stadig ikke kunne nå op på samme afstand som to APer eller klient-kort med eksterne antenner. Danbit A/S leverer forskellige typer eksterne antenner med en vis forstærkning, typisk 2-18 dB.

Miljøet systemet installeres i, har en stor betydning i den rækkevidde der kan opnås og den effektivitet (båndbredde) brugerne kan udnytte. Det har de fleste prøvet med f.eks. en trådløs telefon, hvor marginalområdet kan konstateres ved en væsentligt forringet lydkvalitet eller udfald. Når udstyret bruges udendørs med frit sigte og færrest mulige reflektive enheder, opnåes den størst mulige rækkevidde, f.eks. ved kommunikation over åbent vand. Hvis udstyret installeres indendørs i f.eks. et murstens- eller betonhus med skillevægge og masser af andre reflektive/dæmpende enheder, falder rækkevidden drastisk. Moderne hjem og kontorhuse er som regel opbygget af materialer som er ganske ”gennemsigtige” for radiosignaler på 2.4 GHz båndet, men effektiviteten af en RLAN vil ofte blive stærkt begrænset på grund af de mange reflektive apparater, møbler og andre enheder der placeres i bygningen.

3.3 Omkostninger, størrelse og strømforsyning

Selv om det er tre vigtige, dog forskellige, faktorer, er de nøje forbundet i valget af et RLAN system. De følges også nøje ad, når man sammenligner DSSS og FHSS teknologierne. Det skyldes, at de tre faktorer påvirkes af den aktuelle implementation i det enkelte produkt, nærmere betegnet den hardware der vælges til at udføre Spread Spectrum og i hvor høj grad disse komponenter er integreret.

DSSS udføres ved en DSP (Digital Signal Processor) multiplikation og kræver derfor store, dyre og effektkrævende digitale kredsløb. Frekvensspredningen foretages ofte ved at multiplicere datasignalet med spredningsalgoritmen, hvilket er meget DSP intensivt. Selv om der fortsat udvikles stadigt mere effektive og kompakte (og dermed mindre effektkrævende) DSPer, vil DSSS teknologien nok fortsat halte bagefter det langt mere simple FHSS system.

I praksis udføres de fleste DSSS kredsløb med en PM (Fase Modulation) som den basale modulationsteknik før frekvensspredningen, hvor et FHSS system normalt bygges op om FM (Frekvens Modulation) før den egentlig frekvensspredning. Dette er vigtigt af flere årsager.

FM er en modulationsmetode, hvor en frekvens repræsenterer værdien for et digitalt 0 eller 1 som et offset over eller under den nominelle kanalfrekvens. Med denne teknik er det eneste man behøver at læse ud af signalet, den originale frekvens. Det er en nem, billig og meget effektbesparende metode at opbygge hardwaremæssigt.

Opbygningen af et FHSS system ligner til forveksling det system der findes i en alm. FM radio, bare tillagt systemet med frekvensspredning (frekvenshop). Det er en velkendt og nem teknik at opbygge, der kræves ingen DSP og det færdige produkt kan designes langt mere kompakt og effektbesparende.

3. RadioLAN industristandarder

Industristandarder er vigtige i IT-branchen og relaterede brancher. De gør det rentabelt at udvikle og markedsføre standardiserede produkter som er billige og kompatible på tværs af producenter.

4.1 IEEE 802.11 og IEEE 802.11b

4.1.1 IEEE 802.11

I 1990 nedsatte IEEE 802 standardiseringsgruppen for netværk et udvalg til at specificere en standard for RLAN, med Ethernet standarden som forbillede. Den 26. juni 1997 vedtog IEEE 802.11 Wireless LAN Standard Committee selve IEEE 802.11 standarden. Det var et vigtigt træk for producenterne, der nu kunne begynde at udvikle færdige produkter. Der er tre afsnit i standarden, beskrivende de fysiske lag for FHSS, DSSS og IR.

Standarden beskriver nøje specifikationerne for software, hardware og protokoller i forhold til det fysiske lag og data link laget i OSI modellen (Open System Interconnection). Specifikationen udpeger 2.4 GHz båndet.

4.1.2 IEEE 802.11b

I september 1999 ratificerede IEEE selve 802.11b specifikationen, som tilføjede to højere hastigheder (5.5 og 11 Mbit) til den originale 802.11 standard. Det var et betydningsfuldt skridt, idet brugere nu kan opnå hastigheder og stabilitet på højde med gængse kablede Ethernet. Netværksadministratorer kan nu opbygge komplekse netværk med både kablede og trådløse elementer, og på den måde servicere deres brugere på bedst mulig måde. IEEE 802.11b specifikationen beskriver kun ændringer på det fysiske OSI lag.

Det vigtigste ved 802.11b specifikationen var tilføjelsen af en standardisering af det fysiske lag for de to nye hastigheder, 5.5 og 11 Mbit. For at opnå dette var man nødt til at vælge DSSS som teknik til frekvensspredning, fordi FHSS teknikken ved de nye høje hastigheder ville overtræde visse bestemmelser i det amerikanske FCC regulativ. Resultatet er, at 802.11b systemer kan samkøre med 1 og 2 Mbit 802.11 DSSS systemer, men ikke med 1 og 2 Mbit 802.11 FHSS systemer.

Den originale 802.11 DSSS standard beskriver en 11-bit chip (kaldet en ”Barker Sekvens”) som scrampler alle data der transmitteres. Hver 11-bit sekvens repræsenterer et enkelt digitalt bit (0 eller 1) og konverteres til en bølgeform, kaldet et Symbol, som kan transmitteres. Disse Symboler sendes ved 1 MSps (1 million symboler per sekund) ved hjælp af en teknik kaldet Binary Phase Shift Keying (BPSK). Når man sender med 2 Mbit bruges en mere sofistikeret metode, kaldet Quadrate Phase Shift Keying (QPSK), hvilket fordobler hastigheden ved BPSK, ved hjælp af en mere effektiv udnyttelse af frekvensernes båndbredde.

For at forøge hastigheden i 802.11b specifikationen, bruges avanceret kodningsteknik. I stedet for de to 11-bit Barker sekvenser, specificeres en Complementary Code Keying (CCK) teknik, som består af et sæt på 8 stk. 64-bit kodeord. Behandlet som et sæt har disse kodeord unikke matematiske muligheder, som gør det muligt at skelne hver enkelt fra hinanden, selv i situationer med kraftig interferens, f.eks. på grund af reflektioner. 5.5 Mbit specifikationen bruger CCK til at scrample 4 bit per bæresignal, mens 11 Mbit specifikationen bruger CCK til at scrample 8 bit per bæresignal. Begge hastigheder bruger QPSK som modulationsteknik og sender med 1.375 MSps. På den måde opnås de højere hastigheder.

	2.4 GHz IEEE 802.11 Frequency Hopping	2.4 GHz IEEE 802.11 Direct Sequence	2.4 GHz IEEE 802.11b Direct Sequence	5.0 GHz IEEE 802.11a Orthogonal Frequency Division Multiplexer
Hastighed	2 Mbit	2 Mbit	11 Mbit	54 Mbit
Rækkevidde	Rigtig god	God	God	Rimelig
Immunitet overfor interferens	Rigtig god	God	God	God
Sikkerhed	God	God	God	God