Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9564| Title: | Розробка телекомунікаційної мережі на основі протоколу IEEE 802.11ax |
| Authors: | Чорній, Андрій Михайлович Каплуненко, Валентин Олександрович |
| Keywords: | Wi-Fi 6;IEEE 802.11ax;Hamina;Мережа;Безпровідна;2,4 5 ГГц |
| Issue Date: | 2026 |
| Abstract: | Метою роботи є розробка телекомунікаційної мережі на основі протоколу IEEE 802.11ax для забезпечення ефективного бездротового покриття та якісного обслуговування користувачів у приміщеннях навчального закладу. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9564 |
| Appears in Collections: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_172_ТК_Каплуненко_Чорній.pdf Restricted Access | 4.67 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(назва факультету)
кафедра робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
(повна назва кафедри)
ДО ЗАХИСТУ ДОПУЩЕНО
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор Палагін В.В.
_______________________
“____” _________________2026 року
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
бакалавр
(освітній рівень)
на тему: “Розробка телекомунікаційної мережі на основі протоколу
IEEE 802.11ax”
Виконав: студент ІV курсу, групи ТК-26
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва спеціальності)
освітньо-професійна програма
«Телекомунікації»
(назва ОПП)
Каплуненко В.О.
(прізвище та ініціали)
Керівник: Чорній А.М.
(прізвище та ініціали)
Рецензент: Філімонов С.О.
(прізвище та ініціали)
Черкаси 2026 рік
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
( повне найменування вищого навчального закладу )
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра кафедра телекомунікаційних і робототехнічних систем та кібербезпеки
Освітній рівень бакалавр
Освітньо-професійна програма «Телекомунікації»
(шифр і назва)
Спеціальність 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва)
ДО ЗАХИСТУ ДОПУЩЕНО
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор Палагін В.В.
_______________________
“____” _________________2026 року
З А В Д А Н Н Я
на кваліфікаційну роботу студенту
Каплуненку Валентину Олександровичу
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту: «Розробка телекомунікаційної мережі на основі протоколу IEEE
802.11ax»
керівник проекту (роботи) Чорній Андрій Михайлович, к.т.н., доцент
( прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від “13” квітня 2026 року № 94/03-03
112. Строк подання студентом проекту: 27.05.2026 р.
3. Вихідні дані до проекту: огляд основних стандартів мобільного зв’язку;
впровадження технології МІМО в системах зв’язку; огляд основних типів антен, що
використовуються у мобільному зв’язку.
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити) особливості побудови бездротових мереж; архітектура бездротових мереж
та технології мережевого рівня; топології мереж передачі даних; обладнання
бездротових локальних мереж; стандарт IEEE 802.11 ax: різновиди множинного
доступу, порівняння з мережами 5G; архітектура бездротових чипів у пристроях Wi-Fi;
підсилювачі потужності та розвиток технології MU-MIM.
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Топології мереж передачі даних; Мережеві адаптери; Еволюція стандарту IEEE
802.11; Різноиди модуляції OFDM; Послідовність планування висхідної передачі
даних у багатокористувацькому режимі; Ілюстрація технології TWT; Сценарії
використання 5G Wi-Fi 6; Зростання пристроїв IoT; Розрахункова частина.
6. Консультанти розділів проекту (роботи)
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання видав завдання
консультанта
прийняв
Охорона праці Кожем’якін О.С.
7. Дата видачі завдання 14.04.2026 р.
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного Строк виконання етапів Примітка
з/п проекту (роботи) роботи
1. Пошук необхідних інформаційних джерел до 17.04.2026
2. Аналіз знайденого матеріалу, вибір необхідного до 18.04.2026
для подальшого написання роботи
3. Огляд особливостей побудови бездротових мереж до 20.04.2026
4. Архітектура бездротових мереж та технології до 24.04.2026
мережевого рівня
5. Обладнання бездротових локальних мереж до 27.04.2026
6. Різновиди множинного доступу до 01.05.2026
7. Архітектура бездротових чипів у пристроях Wi-Fi до 04.05.2026
8. Розробка телекомунікаційної мережі на основі до 08.05.2026
протоколу IEEE 802.11ax
9. Оформлення пояснювальної записки до 23.05.2026
10. Оформлення графічного матеріалу до 26.05.2026
Студент Каплуненко В.О.
( підпис ) (прізвище та ініціали)
Керівник роботи Чорній А.М.
( підпис ) (прізвище та ініціали)
«14» квітня 2026 року
ЗМІСТ
ВСТУП 5
1 ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ БЕЗДРОТОВИХ МЕРЕЖ 7
1.1. Модель мережевої взаємодії OSI 7
1.2. Логічна архітектура бездротових мереж та технології мережевого рівня 10
1.2.1. Технології мережевого рівня 11
1.2.2. IP-адресація 11
1.2.3. Інтернет-протокол версії 6 (IPv6) 13
1.2.4. Протокол визначення адрес (ARP) 14
1.3. Маршрутизація повідомлень 15
1.3.1. Поле Time-To-Live (TTL) 16
1.3.2. Формування таблиць маршрутизації 16
1.3.3. Трансляція мережевих адрес (NAT) 17
1.4. Статичний і динамічний NAT 18
1.4.1. Трансляція портів (PAT) 18
2. ТОПОЛОГІЇ МЕРЕЖ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ 20
2.1. Топології дротових мереж: короткий огляд 20
2.1.1. Концентратори та розподіл пропускної здатності 21
2.2. Топології бездротових мереж 23
2.3. Пристрої бездротової локальної мережі 25
2.3.1. Бездротові мережеві інтерфейсні карти 25
2.3.2. Комутатори та контролери бездротових локальних мереж 27
3. СТАНДАРТ IEEE 802.11AX 32
3.1. Wi-Fi як технологія реалізації WLAN 33
3.2 Історія розвитку Wi-Fi 33
3.3. Інновації та оптимізація Wi-Fi 6 37
3.3.1. Ортогональний множинний доступ із частотним поділом каналів (OFDMA)
3.3.2. Багатокористувацький множинний вхід і множинний вихід (MU-MIMO)39
3.3.3. Цільовий час пробудження (Target Wake-Up Time, TWT) 42
3.4. Спільний розвиток технологій 5G та Wi-Fi 6 44
3.4.1. Конкуренція між Wi-Fi та мобільними мережами 44
3.4.2. Координований розвиток Wi-Fi 6 та 5G 45
3.5 Високоякісне мережеве з’єднання та розвиток Інтернету речей як чинники
зростання попиту на Wi-Fi 6 48
ТК26.02634 4.001 ПЗ
Зм Арк. № докум. Підпис Дата
Р.о зроб. Каплуненко Розробка телекомунікаційної Літера Аркуш Аркушів
Керівни Чорній А.М. 3 107
кР еценз ВФ.іВлЮім.оВн. ов мережі на основі протоколу
Н.- IEEE 802.11ax ЧДТУ, ТК-26
Зкоатнвтерр. д
3.5.1. Зростання попиту на високоякісне мережеве з’єднання 48
3.5.2. Попит на Інтернет речей поступово зростає 50
3.6. Сценарії інтелектуального промислового виробництва 51
3.6.1. Wi-Fi 6 як основа мережевої взаємодії в системах розумного будинку 53
3.7. Аналіз ринку та тенденцій розвитку обладнання Wi-Fi 57
3.7.1 Аналіз ключових компонентів обладнання Wi-Fi та тенденцій їх розвитку57
3.7.2. Архітектура бездротових чипів у пристроях Wi-Fi 58
3.7.3. Підсилювачі потужності та розвиток технології MU-MIMO 59
3.8. Перспективи розвитку 59
4 РОЗРОБКА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНОЇ МЕРЕЖІ НА ОСНОВІ ПРОТОКОЛУ IEEE
802.11AX 62
4.1. Обґрунтування вибору програмного засобу для розробки та моделювання
бездротової мережі 62
4.2. Обґрунтування вибору об'єкта проєктування бездротової мережі 63
4.3. Моделювання бездротової мережі в середовищі Hamina planner 63
4.3.1. Налаштування мережевої та кабельної інфраструктури 67
4.3.2. Налаштування радіомережі та параметрів SSID 67
4.3.3. Аналіз радіопокриття та рівня сигналу 71
4.3.4. Аналіз обладнання, точок доступу та клієнтського покриття 78
4.4. Розрахунок параметрів радіопокриття бездротової мережі 85
4.4.1. Вихідні дані для розрахунку 85
4.4.2. Розрахунок бюджету радіолінії 86
4.4.3. Розрахунок втрат у вільному просторі 86
4.4.4. Оцінка RSSI без урахування стін 87
4.4.5. Розрахунок втрат у будівельних конструкціях 88
5 ОХОРОНА ПРАЦІ 90
5.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на
дослідника при роботі в проектно-технічній лабораторії 90
5.2 Модернізація системи водяного опалення лабораторії 96
Арк.
ТК26.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 4
а
ВСТУП
Wi-Fi як одна з найпоширеніших технологій побудована на основі
стандартів Wi-Fi та широко застосовується у багатьох сферах споживчого
використання. На сьогодні технологія Wi-Fi пройшла понад 25 років розвитку.
Запуск протоколу першого покоління IEEE 802.11 не набув значної популярності
через низьку конкурентоспроможність за швидкістю передавання даних і
дальністю зв’язку. Із появою протоколу третього покоління 802.11g Інститут
інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE) додав до нового протоколу
функцію зворотної сумісності. Для протоколів серії 802.11 у кожній новій
ітерації впроваджуються нові технології з метою підвищення продуктивності
мережі. Останній стандарт IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6), представлений у вересні 2019
року, отримав назву Wi-Fi 6.
Технологія Wi-Fi 6 суттєво покращила свої характеристики. У ній
впроваджено висхідний MU-MIMO, ортогональний множинний доступ із
частотним поділом каналів (OFDMA), високорівневу модуляцію 1024-QAM та
інші технології для вирішення проблем ефективного використання спектральних
ресурсів і багатокористувацького доступу. Хоча Wi-Fi 6, як і попередні
стандарти WLAN, забезпечує чергове підвищення пропускної здатності одного
потоку, основною мотивацією його розроблення стало покращення якості
обслуговування користувачів MU-MIMO та досягнення цього шляхом
мінімізації загальної затримки. Тому ключовими чинниками забезпечення
необхідної пропускної здатності стали розширення спектра та його ефективний
і раціональний розподіл.
Для мереж Wi-Fi характерний швидший цикл оновлення порівняно з
мобільними мережами. Крім того, після формування у користувачів звички до
використання Wi-Fi ймовірність його заміни є низькою. Незважаючи на
відмінності між 5G та Wi-Fi 6 за технічними характеристиками, кожна з
технологій має власні переваги та придатна для різних сценаріїв використання.
Технологія 5G демонструє кращу ефективність у відкритих зовнішніх
середовищах, зокрема для автомобільних мереж, тоді як внутрішні Wi-Fi-мережі
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 5
а
здатні економічніше забезпечувати високошвидкісний доступ до Інтернету для
таких застосувань, як VR, системи «розумного будинку» тощо. [1]
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 6
а
1 ОСОБЛИВОСТІ ПОБУДОВИ БЕЗДРОТОВИХ МЕРЕЖ
Логічна архітектура мережі визначає структуру стандартів і протоколів, які
забезпечують встановлення з’єднань між фізичними пристроями або вузлами
мережі, а також керують маршрутизацією та передаванням даних між ними.
Оскільки логічні з’єднання функціонують поверх фізичних каналів зв’язку,
логічна та фізична архітектури тісно взаємопов’язані. Водночас між ними існує
значний рівень незалежності, оскільки фізична конфігурація мережі може
змінюватися без зміни її логічної архітектури. Крім того, одна й та сама фізична
мережа в багатьох випадках може підтримувати різні набори стандартів і
протоколів.
1.1. Модель мережевої взаємодії OSI
Модель взаємодії відкритих систем (Open Systems Interconnection, OSI)
була розроблена Міжнародною організацією зі стандартизації (ISO) як
методологічна основа для створення стандартів, що забезпечують взаємодію
обчислювальних пристроїв. Модель OSI є не окремим стандартом, а
концептуальною структурою для розроблення відповідних стандартів, оскільки
процес організації мережевої взаємодії є надто складним для опису в межах
одного нормативного документа.
Модель OSI поділяє процес встановлення з’єднання між пристроями, а
точніше між прикладними програмами, на сім рівнів, кожен з яких виконує
логічно пов’язані функції. Прикладом може бути процес надсилання та
отримання електронного листа між двома комп’ютерами, що знаходяться в
різних локальних мережах (LAN), з’єднаних через мережу Інтернет.
Процес починається з введення користувачем повідомлення в поштовому
клієнті на персональному комп’ютері. Після вибору команди «Надіслати»
операційна система доповнює повідомлення набором інструкцій прикладного
рівня (рівень 7), які надалі будуть оброблені операційною системою та поштовим
клієнтом на комп’ютері одержувача.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 7
а
Таблиця 1.1. – Семирівнева модель OSI
Розділ Перекладений текст
Логічна архітектура Логічна архітектура мережі визначає структуру
стандартів і протоколів, які забезпечують
встановлення з’єднань між фізичними
пристроями або вузлами мережі та керують
маршрутизацією і передаванням даних між ними.
Взаємозв’язок архітектур Логічна та фізична архітектури взаємопов’язані,
однак можуть змінюватися незалежно одна від
одної. Одна фізична мережа може підтримувати
різні набори стандартів і протоколів.
Модель OSI Модель взаємодії відкритих систем (OSI),
розроблена ISO, є концептуальною основою для
створення мережевих стандартів та описує сім
рівнів мережевої взаємодії.
Передавання електронного листа Процес передавання повідомлення проходить
через усі рівні моделі OSI, починаючи від
прикладного рівня та завершуючи фізичним
передаванням даних через середовище зв’язку.
Мережевий і канальний рівні На мережевому рівні дані поділяються на пакети з
IP-адресами, а на канальному рівні визначається
MAC-адреса наступного вузла мережі.
Фізичний рівень Фізичний рівень виконує кодування, модуляцію та
передавання сигналів через дротове або
бездротове середовище.
Транспортний рівень Протокол TCP забезпечує контроль доставки
даних, виявлення помилок і відновлення
втрачених пакетів.
Стандартизація Для більшості рівнів OSI існують стандарти,
розроблені IEEE та іншими організаціями, які
визначають правила взаємодії мережевих
пристроїв.
Після цього повідомлення разом з інструкціями прикладного рівня
передається до підсистеми операційної системи, що виконує функції рівня
представлення даних (рівень 6). До його завдань належать перетворення
форматів даних між прикладними програмами, а також реалізація окремих
механізмів безпеки, зокрема шифрування за допомогою протоколу Secure
Sockets Layer (SSL). Далі інформація послідовно проходить через нижчі рівні
програмного стеку, отримуючи на кожному з них додаткові службові дані та
керуючі елементи.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 8
а
Рисунок 1.1. – Використання моделі OSI
На мережевому рівні (рівень 3) повідомлення розбивається на
послідовність пакетів даних, кожен із яких містить IP-адресу джерела та
призначення. На канальному рівні здійснюється визначення фізичної адреси
першого пристрою, якому необхідно передати кадри даних. Така адреса
називається MAC-адресою (Media Access Control). У розглянутому прикладі цим
пристроєм може бути мережевий комутатор або шлюз за замовчуванням, через
який локальна мережа підключається до Інтернету.
На фізичному рівні (Physical Layer, PHY) пакети даних кодуються та
модулюються для передавання через фізичне середовище. У дротових мережах
таким середовищем є виті пари провідників, а в бездротових — електромагнітні
хвилі. Після цього сигнал передається пристрою, MAC-адресу якого було
визначено на канальному рівні.
Передавання повідомлення через мережу Інтернет здійснюється за
допомогою послідовності переходів між пристроями маршрутизації та
ретрансляції. На кожному етапі канальний рівень приймального пристрою
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 9
а
визначає MAC-адресу наступного вузла призначення, після чого фізичний рівень
передає пакет до відповідного пристрою.
Після надходження повідомлення на комп’ютер одержувача фізичний
рівень виконує демодуляцію та декодування сигналу, отриманого через
середовище передавання. Далі сформований потік даних передається на
канальний рівень, де обробляються MAC-заголовки та інші службові елементи,
зокрема механізми контролю цілісності повідомлення.
Після цього дані послідовно передаються вгору стеком протоколів. На
транспортному рівні (рівень 4) такі протоколи, як Transmission Control Protocol
(TCP), забезпечують контроль доставки всіх кадрів даних, відновлення
втрачених пакетів та корекцію помилок. Зрештою, прикладна програма
електронної пошти отримує декодовані символи повідомлення, що повністю
відповідають вихідному тексту, надісланому користувачем.
Для більшості рівнів моделі OSI різними організаціями, зокрема
Інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE), розроблено
відповідні стандарти. Кожен стандарт визначає набір послуг, що надаються на
певному рівні, а також протоколи та правила, яких необхідно дотримуватися для
забезпечення взаємодії між пристроями та мережевими компонентами. Для
окремих рівнів можуть існувати декілька конкуруючих стандартів, які або
поступово стають загальноприйнятими в галузі, або продовжують
використовуватися у спеціалізованих сферах застосування.
1.2. Логічна архітектура бездротових мереж та технології мережевого
рівня
Логічна архітектура бездротової мережі визначається насамперед
стандартами, які регламентують функціонування канального рівня (LLC та
MAC) і фізичного рівня (PHY) моделі OSI.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 10
а
1.2.1. Технології мережевого рівня
Інтернет-протокол (IP) відповідає за адресацію та маршрутизацію кожного
пакета даних у межах сеансу зв’язку або мережевого з’єднання, встановленого
під контролем транспортних протоколів, таких як TCP або UDP.
Основою функціонування протоколу IP є IP-адреса – 32-бітне число, яке
додається до кожного пакета даних і використовується програмним
забезпеченням маршрутизаторів для визначення джерела та призначення пакета
під час його передавання мережею або через Інтернет.
IP-адреси, які визначаються на мережевому рівні, об’єднують мільярди
пристроїв, підключених до мережі Інтернет, в єдину віртуальну мережу.
Водночас фактичне передавання кадрів даних між пристроями здійснюється за
допомогою MAC-адрес мережевих інтерфейсів (NIC), а не логічних IP-адрес
хостів. Перетворення IP-адреси мережевого рівня (рівень 3) на MAC-адресу
канального рівня (рівень 2) виконується за допомогою протоколу визначення
адрес (Address Resolution Protocol, ARP).
1.2.2. IP-адресація
32-бітова IP-адреса зазвичай подається у десятковому форматі з крапковим
розділенням у вигляді чотирьох чисел від 0 до 255. Наприклад:
200.100.50.10
У двійковому представленні ця адреса матиме вигляд:
11001000.01100100.00110010.00001010
Окрім ідентифікації комп’ютера або іншого мережевого пристрою, IP-
адреса також однозначно визначає мережу, до якої підключено цей пристрій.
Відповідно, IP-адреса складається з двох частин:
ідентифікатор мережі (Network ID);
ідентифікатор вузла (Host ID).
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 11
а
Ідентифікатор мережі має важливе значення, оскільки дозволяє пристрою
визначити початковий маршрут для передавання пакета до вузла призначення.
Якщо пристрій встановлює, що ідентифікатор мережі одержувача
збігається з його власним ідентифікатором мережі, пакет не потребує зовнішньої
маршрутизації через шлюз або мережу Інтернет. У такому випадку вузол
призначення знаходиться в локальній мережі та вважається локальним.
Якщо ж ідентифікатор мережі одержувача відрізняється від ідентифікатора
мережі відправника, пакет необхідно маршрутизувати через Інтернет або інший
мережевий міст для досягнення віддаленого вузла. Першим кроком у цьому
процесі є передавання пакета на мережевий шлюз.
Для реалізації такого механізму використовуються ще два 32-бітові
параметри:
маска підмережі (Subnet Mask);
шлюз за замовчуванням (Default Gateway).
Ідентифікатор мережі визначається шляхом виконання логічної операції
AND між IP-адресою призначення та маскою підмережі. Аналогічна операція
застосовується до власної IP-адреси пристрою та його маски підмережі для
визначення локального ідентифікатора мережі.
Порівняння отриманих значень дозволяє визначити, чи належить вузол
призначення до локальної мережі, чи пакет необхідно передавати через шлюз до
іншої мережі.
У лютому 1996 року Робоча група з мережевих технологій (Network
Working Group) запропонувала для обговорення документ RFC 1918, у якому
було визначено три діапазони так званих приватних IP-адрес для використання в
мережах, що не потребують прямого підключення до Інтернету. Метою
впровадження приватних адрес було збереження адресного простору IPv4
шляхом надання можливості багатьом організаціям використовувати однакові
набори адрес у власних локальних мережах.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 12
а
Таблиця 1.1. – Локальні та віддалені IP-адреси
У такій ситуації не має значення, що комп’ютер використовує IP-адресу,
яка не є глобально унікальною, за умови, що цей комп’ютер не потребує
безпосереднього обміну даними через мережу Інтернет.
Згодом Організація з розподілу інтернет-номерів (Internet Assigned
Numbers Authority, IANA) зарезервувала діапазон адрес від 169.254.0.0 до
169.254.255.255 для механізму автоматичного призначення приватних IP-адрес
(Automatic Private IP Addressing, APIPA). Якщо комп’ютер налаштований на
автоматичне отримання IP-адреси від сервера DHCP, але не може встановити
зв’язок із таким сервером, операційна система автоматично призначає адресу з
указаного діапазону. Це дозволяє пристрою продовжувати обмін даними в межах
локальної мережі.
1.2.3. Інтернет-протокол версії 6 (IPv6)
32-бітова структура адресації IPv4 забезпечує можливість створення 2³²,
або приблизно 4,29 мільярда, унікальних IP-адрес. На перший погляд така
кількість може здатися достатньою для забезпечення потреб усіх користувачів
комп’ютерних мереж.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 13
а
Однак історія розвитку інформаційних технологій демонструє, наскільки
складно прогнозувати масштаби поширення комп’ютерної техніки та мережевих
сервісів. Саме тому індустрія перейшла до розроблення IPv6, який використовує
128-бітову адресацію.
IPv6 забезпечує надзвичайно великий адресний простір — близько 3,4·10³⁸
можливих адрес. Це відповідає приблизно 3,4·10²⁷ адресам на кожного жителя
планети за умови населення 10 мільярдів осіб або близько 6,6·10²³ адрес на
кожний квадратний метр поверхні Землі.
Завдяки такому запасу адресного простору IPv6 створює надійну основу
для подальшого розвитку інформаційно-комунікаційних технологій, Інтернету
речей та глобальних мережевих інфраструктур.
1.2.4. Протокол визначення адрес (ARP)
Як зазначалося раніше, кожне передавання даних на фізичному рівні
здійснюється за допомогою MAC-адреси мережевого інтерфейсу пристрою-
одержувача, а не його IP-адреси.
Для передавання пакета відправник спочатку повинен визначити MAC-
адресу, яка відповідає IP-адресі безпосереднього вузла призначення. Цю
функцію виконує протокол визначення адрес (Address Resolution Protocol, ARP).
Концептуально процес роботи ARP полягає в широкомовному надсиланні
запиту до всіх пристроїв мережі з проханням повідомити MAC-адресу, що
відповідає певній IP-адресі. Пристрій, який має зазначену IP-адресу, надсилає
відповідь зі своєю MAC-адресою, після чого відправник може сформувати кадр
даних і передати його на канальний рівень.
На практиці комп’ютер зберігає інформацію про MAC-адреси пристроїв, з
якими нещодавно взаємодіяв, у спеціальній таблиці ARP (ARP Cache). Перед
надсиланням широкомовного запиту система спочатку перевіряє наявність
необхідного запису в цій таблиці. Лише за його відсутності формується новий
ARP-запит.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 14
а
У багатьох випадках пакет даних надсилається через шлюз за
замовчуванням, тому MAC-адреса шлюзу зазвичай уже міститься в ARP-таблиці
пристрою.
1.3. Маршрутизація повідомлень
Маршрутизація – це механізм, який забезпечує доставку пакетів даних до
вузла призначення незалежно від того, знаходиться він у сусідньому приміщенні
чи на іншому континенті.
Маршрутизатор аналізує адресу призначення кожного отриманого пакета
та порівнює її з інформацією, що міститься в таблиці маршрутизації (Routing
Table). Якщо відповідний запис знайдено, пакет пересилається на адресу,
пов’язану з цим записом. Це може бути інша мережа або наступний
маршрутизатор, який забезпечить подальше просування пакета до кінцевого
пункту призначення.
Якщо точного збігу не знайдено, маршрутизатор виконує повторний
пошук, використовуючи лише ідентифікатор мережі (Network ID), отриманий за
допомогою маски підмережі. У разі успішного пошуку пакет передається
відповідному вузлу. Якщо ж збіг відсутній, маршрутизатор використовує
маршрут за замовчуванням.
За відсутності маршруту за замовчуванням маршрутизатор надсилає
відправнику повідомлення «Host Unreachable» («Вузол недоступний») або
«Network Unreachable» («Мережа недоступна»). Такі повідомлення часто
свідчать про несправність одного з маршрутизаторів на шляху проходження
пакета.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 15
а
1.3.1. Поле Time-To-Live (TTL)
Для запобігання ситуації, коли пакет нескінченно циркулює мережею
через помилки маршрутизації, заголовок IP-пакета містить спеціальне поле
Time-To-Live (TTL).
Під час створення пакета відправник встановлює початкове значення TTL,
яке зазвичай дорівнює 64. Кожного разу, коли пакет проходить через
маршрутизатор, значення TTL зменшується на одиницю.
Коли значення TTL досягає нуля, пакет автоматично видаляється, а
відправнику надсилається повідомлення про закінчення часу життя пакета за
допомогою протоколу Internet Control Message Protocol (ICMP). Такий механізм
забезпечує стабільність роботи мережі та запобігає перевантаженню
маршрутизаторів пакетами, які не можуть досягти свого призначення.
1.3.2. Формування таблиць маршрутизації
Найскладнішим завданням маршрутизатора є формування та підтримання
таблиці маршрутизації. Для простих мереж достатньо використання статичної
таблиці маршрутів, яка завантажується під час запуску пристрою. Проте в
більшості сучасних мереж застосовується динамічна маршрутизація, що дає
змогу автоматично формувати та оновлювати таблиці маршрутів шляхом обміну
службовими повідомленнями між маршрутизаторами.
Для цього можуть використовуватися повідомлення ICMP Router
Solicitation та ICMP Router Advertisement, які дозволяють сусіднім
маршрутизаторам виявляти один одного. Перший тип повідомлень виконує
функцію запиту на наявність маршрутизаторів у мережі, а другий
використовується для повідомлення про їхню присутність.
Більш інформативним механізмом є Routing Information Protocol (RIP),
відповідно до якого маршрутизатор періодично розсилає в мережу повну
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 16
а
таблицю маршрутизації. Завдяки цьому інші маршрутизатори можуть
отримувати актуальну інформацію про доступні маршрути.
Додаткові повідомлення RIP та ICMP дозволяють маршрутизаторам
визначати найкоротші шляхи до вузлів призначення, коригувати неефективні
маршрути та динамічно оновлювати таблиці маршрутизації залежно від
доступності мережі та рівня мережевого навантаження.
Особливу складність становить маршрутизація в комірчастих мережах
(Mesh Networks) та мобільних самоорганізованих мережах (MANET — Mobile
Ad Hoc Networks), де топологія мережі може постійно змінюватися. Одним із
підходів до вирішення цієї проблеми є алгоритми маршрутизації, натхненні
поведінкою мурашиних колоній, які дозволяють адаптивно знаходити
оптимальні маршрути в умовах динамічної мережевої структури.
1.3.3. Трансляція мережевих адрес (NAT)
Документ RFC 1918 визначив декілька діапазонів приватних IP-адрес для
використання в мережах без прямого доступу до Інтернету.
Однак із широким поширенням Інтернету виникла потреба забезпечити
доступ до глобальної мережі для пристроїв, що використовують приватні адреси.
Основна проблема полягала в тому, що приватні IP-адреси не розпізнаються
маршрутизаторами мережі Інтернет як дійсні адреси призначення.
Рішенням цієї проблеми стала технологія Network Address Translation
(NAT) — трансляція мережевих адрес.
Коли комп’ютер із приватної мережі надсилає пакет за межі локальної
мережі, шлюз, що забезпечує підключення до Інтернету, замінює приватну IP-
адресу джерела (наприклад, 192.168.0.1) на публічну IP-адресу (наприклад,
205.55.55.1).
Отримувач та проміжні маршрутизатори розглядають таку адресу як
коректну публічну адресу й успішно доставляють пакет до пункту призначення.
Коли відповідь повертається до шлюзу, він виконує зворотне перетворення та
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 17
а
замінює публічну адресу на початкову приватну адресу комп’ютера, який
ініціював з’єднання.
Такий процес перетворення приватних адрес у публічні на мережевому
шлюзі називається трансляцією мережевих адрес (NAT).
1.4. Статичний і динамічний NAT
Подібно до маршрутизації, технологія NAT може працювати в статичному
або динамічному режимі.
У разі використання статичного NAT кожному комп’ютеру приватної
мережі, який потребує доступу до Інтернету, заздалегідь призначається
конкретна публічна IP-адреса. Відповідність між приватними та публічними
адресами зберігається в таблиці трансляції NAT.
У динамічному NAT використовується пул доступних публічних IP-адрес.
Під час встановлення з’єднання система автоматично вибирає вільну публічну
адресу та тимчасово пов’язує її з приватною адресою пристрою.
Динамічний NAT є значно поширенішим, оскільки працює автоматично та
не потребує ручного адміністрування.
1.4.1. Трансляція портів (PAT)
Додаткова проблема виникає у випадку, коли шлюз має лише одну
публічну IP-адресу або кількість пристроїв, що одночасно потребують доступу
до Інтернету, перевищує кількість доступних публічних адрес.
Така ситуація є типовою для невеликих організацій або домашніх мереж,
які мають лише одне підключення до провайдера Інтернет-послуг.
Для вирішення цієї проблеми використовується технологія Port Address
Translation (PAT), яка дозволяє відображати різні приватні IP-адреси на одну
публічну IP-адресу за допомогою різних номерів портів.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 18
а
Коли пристрій із локальної мережі надсилає пакет до Інтернету, шлюз
замінює його приватну адресу на єдину публічну IP-адресу та додає випадково
вибраний номер порту з діапазону від 1024 до 65535.
Після отримання відповіді шлюз аналізує номер порту призначення та
використовує таблицю PAT для визначення внутрішнього комп’ютера, якому
необхідно передати пакет.
Завдяки PAT велика кількість пристроїв може одночасно використовувати
одне публічне підключення до Інтернету, що суттєво зменшує потребу в
додаткових публічних IP-адресах та підвищує ефективність використання
адресного простору IPv4.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 19
а
2. ТОПОЛОГІЇ МЕРЕЖ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ
2.1. Топології дротових мереж: короткий огляд
Топологія дротової мережі визначає фізичну конфігурацію з’єднань між
мережевими пристроями або вузлами. Вузлами мережі можуть бути комп’ютери,
периферійні пристрої користувача (наприклад, принтери або сканери), а також
мережеве обладнання, зокрема концентратори, комутатори та маршрутизатори.
Базовим елементом, на основі якого формуються різні мережеві топології,
є просте з’єднання типу «точка-точка» між двома вузлами мережі. Повторення
такого елемента дозволяє створювати дві найпростіші топології дротових мереж
— шинну (Bus) та кільцеву (Ring).
Для кільцевої топології можливі два варіанти реалізації залежно від типу
міжвузлових з’єднань:
симплексний режим (Simplex) — передавання даних здійснюється лише в
одному напрямку, а повідомлення циркулюють по кільцю послідовно;
дуплексний режим (Duplex) — кожен вузол оснащений приймачем і
передавачем (трансивером), що забезпечує передавання даних в обох напрямках.
Рисунок 2.1. – Топологія «точка-точка»
Рисунок 2.2. – Топологія «Шина»
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 20
а
Рисунок 2.3. – Топологія «Кільце»
Шинна та кільцева топології (рис. 2.2 та Рис. 2.3) мають суттєвий недолік
— високу чутливість до відмов окремих елементів мережі. Пошкодження
одного з’єднання може призвести до ізоляції частини вузлів у шинній мережі
або до повного припинення передавання даних у кільцевій мережі.
Подальший розвиток мережевих технологій став можливим завдяки
впровадженню спеціалізованих мережевих пристроїв, призначених для
керування потоками даних між вузлами мережі.
Найпростішим таким пристроєм є пасивний концентратор (Passive Hub),
який використовується як центральний вузол підключення кабельної
інфраструктури в топологіях типу зірка (Star) та дерево (Tree).
Різновидом пасивного концентратора є активний концентратор (Active
Hub), або повторювач (Repeater). Окрім функції з’єднання пристроїв, він виконує
підсилення сигналу, що дозволяє збільшити максимальну довжину мережевих
з’єднань.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 21
а
Рисунок 2.4. – Топології «Зірка»
Для окремих технологій персональних мереж (PAN), наприклад USB,
топології типу «зірка» та «дерево» можуть реалізовуватися без використання
спеціалізованого мережевого обладнання завдяки можливості каскадного
підключення пристроїв (daisy chaining).
2.1.1. Концентратори та розподіл пропускної здатності
У локальній мережі з топологією «зірка» активний або пасивний
концентратор передає кожен отриманий пакет даних усім підключеним
пристроям. Кожен вузол аналізує отримані пакети та обробляє лише ті, які
містять його MAC-адресу.
Недоліком такого підходу є спільне використання пропускної здатності
мережі всіма підключеними пристроями. Наприклад, якщо два персональні
комп’ютери підключені через концентратор із пропускною здатністю 10 Мбіт/с,
кожен із них у середньому може використовувати лише близько 5 Мбіт/с.
Під час передавання даних одним пристроєм концентратор ретранслює
відповідні пакети всім іншим вузлам мережі. У цей час інші пристрої повинні
очікувати можливості передавання власних даних.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 22
а
Недоліки концентраторів усуваються завдяки використанню комутаторів
(Switches).
На відміну від концентратора, комутатор передає пакет даних лише тому
пристрою, якому він адресований. Для реалізації такого механізму комутатор
потребує більшого обсягу пам’яті та вищої обчислювальної потужності, проте
забезпечує значно ефективніше використання мережевих ресурсів.
Наприклад, один комп’ютер може передавати потік даних до принтера,
тоді як сканер одночасно надсилає інформацію іншому комп’ютеру. Комутатор
здатний обробляти обидва потоки паралельно, спрямовуючи їх лише до
відповідних адресатів.
Завдяки цьому кожен пристрій отримує доступ до повної пропускної
здатності мережі, що суттєво підвищує продуктивність локальної мережі
порівняно з використанням традиційних концентраторів.
2.2. Топології бездротових мереж
Просте з’єднання типу «точка-точка» (Point-to-Point), показане на рисунку
2.1, у бездротових мережах зустрічається навіть частіше, ніж у дротових. Такий
тип з’єднання використовується в багатьох бездротових системах, зокрема:
• однорангових (peer-to-peer) або Wi-Fi з’єднаннях;
• магістральних бездротових з’єднаннях міських мереж (MAN backhaul);
• бездротовому мостовому з’єднанні локальних мереж;
• мережах Bluetooth;
• мережах IrDA.
У бездротових мережах центральний вузол топології типу «зірка» (рисунок
2.5) виконує функції, аналогічні функціям концентратора в дротових мережах.
Таким центральним вузлом може бути базова станція WiMAX, точка доступу
Wi-Fi, головний пристрій Bluetooth (Master) або координатор персональної
мережі ZigBee (PAN Coordinator).
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 23
а
Залежно від технології бездротового зв’язку центральний вузол виконує
широкий спектр функцій керування мережею, які детально розглядаються в
наступних розділах.
Рисунок 2.5. – Топологія «Зірка» у бездротових мережах
Через специфіку бездротового середовища передавання даних відмінність
між комутованими та некомутованими концентраторами, характерна для
дротових мереж, зазвичай не має практичного значення. Це пов’язано з тим, що
в бездротових мережах відсутній окремий фізичний канал зв’язку для кожного
абонента.
Винятком є системи, у яких базові станції або точки доступу можуть
просторово розділяти абонентів за допомогою секторних або антенних решіток.
У такому випадку різні групи користувачів обслуговуються незалежними
передавачами, що дозволяє суттєво підвищити пропускну здатність мережі.
Прикладом є бездротова міська мережа (Wireless MAN), у якій комутатор
обслуговує чотири передавачі базової станції, кожен з яких використовує
секторну антену з діаграмою спрямованості 90°.
За такої конфігурації сумарна пропускна здатність мережі збільшується
пропорційно кількості передавачів, подібно до того, як це відбувається в
дротових мережах із використанням комутаторів.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 24
а
У бездротових локальних мережах аналогічний ефект досягається за
допомогою нового класу пристроїв — антенних масивів точок доступу (Wireless
LAN Arrays), які поєднують функції контролера WLAN із секторними антенами
для збільшення ємності мережі.
Загальний принцип підвищення пропускної здатності шляхом
обслуговування окремих просторових зон або незалежних шляхів поширення
сигналу називається просторовим мультиплексуванням (Space Division
Multiplexing). Найбільш досконалим прикладом реалізації цього принципу є
технологія MIMO (Multiple Input Multiple Output).
2.3. Пристрої бездротової локальної мережі
2.3.1. Бездротові мережеві інтерфейсні карти
Бездротова мережева інтерфейсна карта (Network Interface Card, NIC)
перетворює пристрій, такий як ноутбук або настільний комп’ютер, на бездротову
станцію та забезпечує можливість його взаємодії з іншими станціями в
одноранговій мережі або з точкою доступу.
Бездротові мережеві адаптери випускаються у різних форм-факторах
(рисунок 2.6), зокрема у вигляді PC-карт (Type II PCMCIA), PCI-карт, зовнішніх
USB-пристроїв, USB-адаптерів, а також карт CompactFlash для PDA. Більшість
бездротових мережевих адаптерів оснащені вбудованими антенами, однак деякі
виробники пропонують моделі із зовнішнім антенним роз’ємом або знімною
антеною. Такі рішення є корисними у випадках, коли необхідно підключити
антену з високим коефіцієнтом підсилення для роботи на межі зони покриття
бездротової мережі.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 25
а
Рисунок 2.6. – Інтерфейси мережевих адаптерів
Існує небагато характеристик, які суттєво відрізняють одну бездротову
мережеву карту від іншої. Максимальна потужність передавача обмежується
вимогами місцевого законодавства та нормативними актами. Для обладнання,
що відповідає стандартам, сертифікація відповідними організаціями (наприклад,
сертифікація Wi-Fi для стандарту IEEE 802.11) забезпечує сумісність пристроїв
різних виробників.
Винятком можуть бути пропрієтарні розширення стандартів або
обладнання, випущене до офіційного затвердження відповідного стандарту.
Прикладом є обладнання типу «pre-n», яке деякі виробники випустили до
офіційної ратифікації стандарту IEEE 802.11n.
Сучасні високопродуктивні мобільні пристрої, особливо ноутбуки, дедалі
частіше постачаються з інтегрованими бездротовими мережевими адаптерами. З
появою технології Intel Centrino® інтерфейс бездротової локальної мережі став
невід’ємною частиною сімейства базових наборів мікросхем компанії Intel.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 26
а
2.3.2. Точки доступу
Точка доступу (Access Point, AP) є центральним елементом бездротової
локальної мережі (WLAN), який забезпечує організацію бездротового зв’язку
між усіма станціями мережі. Зазвичай точка доступу підключається до дротової
мережі та виконує функцію мосту між дротовими й бездротовими пристроями.
Рисунок 2.6. – Точки доступу
Перші точки доступу, які сьогодні прийнято називати «товстими» точками
доступу (Fat Access Points), почали широко використовуватися після
затвердження стандарту IEEE 802.11b у 1999 році. Такі пристрої містили повний
набір функцій керування та обробки даних безпосередньо в кожному пристрої,
включаючи:
• засоби безпеки, такі як механізми автентифікації та підтримка
шифрування;
• контроль доступу на основі списків або фільтрів;
• можливості налаштування та моніторингу за допомогою протоколу
SNMP.
Налаштування рівня потужності передавача, вибір радіочастотного каналу,
параметрів шифрування та інших характеристик зазвичай здійснювалися
користувачем через вебінтерфейс керування точкою доступу.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 27
а
Таблиця 2.1 – Додаткові функції точок доступу для домашніх та малих
офісних мереж
Функція Опис
Інтернет-шлюз Підтримує маршрутизацію, NAT, сервер
DHCP для автоматичного призначення IP-
адрес та підтримку VPN Pass-through.
Комутатор (Switch) Містить декілька дротових портів Ethernet
для комутації та взаємодії Ethernet-
пристроїв.
Бездротовий міст або Працює як ретранслятор для розширення
ретранслятор зони покриття або як бездротовий міст
типу «точка-точка».
Мережевий сервер зберігання Оснащується внутрішніми чи зовнішніми
даних накопичувачами для централізованого
зберігання даних і резервного копіювання.
Окрім базових функцій, точки доступу, призначені для домашніх мереж
або невеликих офісів, як правило, містять додаткові мережеві можливості, що
розширюють їх функціональність та спрощують організацію бездротового
доступу до мережі (табл. 2.1).
2.3.3. Комутатори та контролери бездротових локальних мереж
У великих бездротових мережах, зокрема в корпоративному середовищі,
де можуть використовуватися десятки або навіть сотні точок доступу,
необхідність індивідуального налаштування кожного пристрою значно
ускладнює процес адміністрування мережі. Для спрощення розгортання та
управління масштабними WLAN використовуються комутатори бездротових
локальних мереж.
Комутатор бездротової локальної мережі (Wireless LAN Switch), також
відомий як контролер WLAN або маршрутизатор доступу, є мережевим
інфраструктурним пристроєм, призначеним для виконання різноманітних
функцій від імені підпорядкованих або «тонких» точок доступу (рисунок 2.7).
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 28
а
Як показано в таблиці 2.2, використання комутаторів WLAN забезпечує
низку переваг для великих бездротових мереж, особливо тих, що підтримують
сервіси голосового зв’язку.
Таблиця 2.2 – Переваги використання «тонких» точок доступу
Перевага Опис
Нижча вартість «Тонка» точка доступу оптимізована для
виконання лише функцій бездротового
зв’язку, що зменшує початкові витрати на
обладнання, а також витрати на його
обслуговування та модернізацію.
Спрощене керування точками Налаштування точок доступу, включаючи
доступу функції безпеки, централізуються, що
спрощує адміністрування мережі.
Покращена продуктивність Передача з’єднання між точками доступу
роумінгу виконується значно швидше, ніж у
традиційних системах, що покращує якість
голосових сервісів.
Спрощення модернізації мережі Централізовані функції керування та
контролю спрощують оновлення мережі
відповідно до розвитку стандартів WLAN,
оскільки зміни необхідно впроваджувати
лише на рівні комутатора, а не окремих
точок доступу.
Основною причиною появи бездротових комутаторів стала необхідність
спрощення процесів конфігурації та адміністрування мереж, складність яких
зростає пропорційно до розширення бездротової інфраструктури.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 29
а
Рисунок 2.7. – Топологія бездротової локальної мережі з використанням
бездротового комутатора
Бездротовий комутатор забезпечує централізоване керування
конфігурацією мережі, політиками безпеки, моніторингом продуктивності та
усуненням несправностей. Такий підхід є критично важливим для ефективного
функціонування бездротових локальних мереж корпоративного масштабу.
Як приклад можна розглянути систему захисту мережі. У великій WLAN
одночасно можуть використовуватися різні механізми безпеки, зокрема WEP,
WPA та IEEE 802.11i. Якщо налаштування безпеки виконуються окремо для
кожної точки доступу, процес управління ключами шифрування та оновлення
стандартів захисту для кожного пристрою стає надзвичайно складним і
трудомістким.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 30
а
Таблиця 2.3 – Функції комутатора бездротової локальної мережі
Функція Опис
Планування мережевої Автоматизовані інструменти обстеження
інфраструктури об’єкта дозволяють імпортувати плани
будівель і технічні специфікації та
визначати оптимальні місця встановлення
точок доступу.
Керування радіочастотними Аналіз службових кадрів, отриманих від
ресурсами (RF) усіх точок доступу, дозволяє виявляти та
автоматично усувати проблеми
радіосигналу шляхом зміни потужності
передавання або вибору робочих каналів.
Автоматичне налаштування Бездротові комутатори можуть
автоматично визначати оптимальний
радіоканал і рівень потужності передавача
для окремих точок доступу.
Балансування навантаження Підвищення пропускної здатності мережі
шляхом автоматичного розподілу
користувачів між кількома точками
доступу.
Керування доступом на основі Політики доступу можуть визначатися на
політик основі груп точок доступу та списків
клієнтів, які задають дозволені
підключення для окремих пристроїв або
груп користувачів.
Виявлення вторгнень Несанкціоновані точки доступу,
користувачі або однорангові мережі
можуть бути виявлені та локалізовані
шляхом безперервного сканування або
планових обстежень мережі.
Завдяки централізованій архітектурі безпеки, реалізованій за допомогою
бездротового комутатора, відповідні налаштування виконуються лише один раз
на рівні контролера, після чого автоматично застосовуються до всіх
підпорядкованих точок доступу.
Крім того, комутатори WLAN надають широкий спектр додаткових
функцій, які були відсутні в точках доступу першого покоління. Ці можливості
детально розглянуті в таблиці 2.3.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 31
а
3. СТАНДАРТ IEEE 802.11AX
Під час розроблення IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) було враховано підтримку
мережевих сервісів із високою щільністю та великою пропускною здатністю, що
стало підґрунтям для використання цього стандарту у великих громадських
місцях, офісних приміщеннях із високою щільністю користувачів та
електронних офісах. Проте, оскільки технологія 5G має більше переваг у
зовнішньому середовищі, саме внутрішні приміщення стали ключовою сферою
застосування Wi-Fi 6. Водночас зростання потреб користувачів у споживанні
інформації, розвагах та підключенні інтелектуальних пристроїв сприяє
подальшому розвитку Wi-Fi 6.
Наразі дедалі більш актуальною стає потреба у високоякісному
мережевому з’єднанні. Оскільки Wi-Fi є основним засобом передавання даних у
приміщеннях, подальше зростання проникнення сумісних термінальних
пристроїв сприятиме ще ширшому поширенню цієї технології.
Поступово зростає попит на Інтернет речей (IoT). На відміну від таких
користувацьких пристроїв, як ноутбуки, IoT-пристрої потребують
детермінованих бездротових сервісів. У зв’язку з цим корпоративний Wi-Fi 6
дедалі частіше стає пріоритетною платформою для внутрішніх мереж Інтернету
речей. Порівняно з Wi-Fi 5 та 4G, Wi-Fi 6 забезпечує вищу швидкість
передавання даних. Крім того, Wi-Fi 6 характеризується покращеними
показниками безпеки та масштабованості. Якщо попередні покоління Wi-Fi-
маршрутизаторів підтримували одночасне підключення приблизно 250
пристроїв, то Wi-Fi 6 здатний забезпечити роботу до 1024 пристроїв одночасно.
Завдяки цьому Wi-Fi 6 є оптимальним та економічно доцільним рішенням для
домашнього використання та малого бізнесу.
Нарешті, Wi-Fi 6 сприяє реалізації концепції інтелектуального
промислового середовища. Хоча технології 5G та Wi-Fi 6 завдяки технічному
вдосконаленню здатні забезпечувати швидкість передавання даних до приблизно
10 Гбіт/с, мережі 5G лише перебувають на початковому етапі розгортання. У
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 32
а
зв’язку з цим Wi-Fi 6 наразі має вагоміші переваги у промисловій сфері.
Більшість підприємств традиційно використовують дротові мережеві
підключення, на основі яких реалізується Wi-Fi-комунікація.
Протягом останніх двох років темпи розвитку Wi-Fi 6 є надзвичайно
високими. Від нових моделей смартфонів провідних брендів до маршрутизаторів
— на ринку постійно з’являються нові продукти з підтримкою технології Wi-Fi
6.
3.1. Wi-Fi як технологія реалізації WLAN
Бездротові локальні мережі (WLAN) використовують радіочастотні
технології та електромагнітні хвилі замість мережевих кабелів, що дає змогу
компенсувати обмеження покриття дротових мереж і забезпечити розширення
мережевої інфраструктури.
Wi-Fi (Wireless Fidelity) — це технологія зв’язку, яка відповідає
специфікаціям бездротових мереж серії IEEE 802.11 та забезпечує взаємну
сумісність пристроїв. За визначенням, Wi-Fi є технологією реалізації WLAN.
Незважаючи на існування різних технологій і стандартів для побудови
бездротових локальних мереж, саме Wi-Fi на сьогодні є домінуючою
технологією, оскільки більшість WLAN у споживчому секторі створюються на
основі стандартів Wi-Fi.
3.2 Історія розвитку Wi-Fi
Wi-Fi розвивається вже понад 25 років. Протокол 802.11 почав
формуватися у 1990-х роках. На початку 1990-х років Інститут інженерів з
електротехніки та електроніки (IEEE) створив відповідну робочу групу для
дослідження та розроблення стандарту протоколів бездротових локальних мереж
(WLAN) [2]. З плином часу різні версії протоколу 802.11 поступово
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 33
а
оновлювалися та вдосконалювалися відповідно до зростаючих вимог до
мережевих технологій (рис. 3.1).
Рис. 3.1. – Еволюція розвитку сімейства протоколів IEEE 802.11
Перший протокол покоління IEEE 802.11-1997 було представлено у червні
1997 року, однак його поширення було обмеженим через недостатню
конкурентоспроможність за швидкістю передавання даних і дальністю зв’язку.
Згодом були запроваджені стандарти IEEE 802.11a/b, серед яких протокол
802.11a працював у діапазоні частот 5 ГГц, а його максимальна швидкість на
рівні прикладного рівня суттєво зросла та досягла 54 Мбіт/с. Водночас його
розвиток був обмежений повільним удосконаленням апаратного забезпечення та
іншими факторами. Протокол 802.11b функціонував у діапазоні 2,4 ГГц. Хоча
його швидкість передавання даних була нижчою порівняно з 802.11a, він
забезпечував краще покриття та проникність сигналу. Через несумісність
стандартів 802.11a/b та вищу практичну доцільність 802.11b саме він зайняв
домінуючу позицію на ринку того часу.
Стандарт 802.11g був розроблений IEEE як протокол третього покоління у
липні 2003 року. Він поєднав переваги попередніх версій і забезпечив роботу в
діапазоні 2,4 ГГц із покращеною продуктивністю. Починаючи з цього покоління,
IEEE також запровадив принцип зворотної сумісності в нових стандартах, що
сприяло їх практичному впровадженню. У зв’язку з розвитком потокових
сервісів та зростанням вимог до пропускної здатності з боку домогосподарств і
підприємств, попередні стандарти перестали задовольняти сучасні потреби. У
результаті у 2009 році було представлено нове покоління — 802.11n. Цей
стандарт базується на частоті 2,4 ГГц та використовує технології множинного
входу та виходу (MIMO), формування променя (beamforming) і об’єднання
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 34
а
каналів 40 МГц, що дозволило збільшити дальність передавання та підвищити
швидкість до 600 Мбіт/с.
З плином часу дедалі більша кількість протоколів почала використовувати
діапазон 2,4 ГГц для передавання даних (табл. 3.1), унаслідок чого доступна
пропускна здатність суттєво зменшилася через перевантаження спектру. Саме
тому протокол п’ятого покоління 802.11ac зосередився на оптимізації роботи в
діапазоні 5 ГГц. У цьому стандарті було покращено робочу пропускну здатність
і ефективність модуляції в межах одного каналу при збереженні зворотної
сумісності з попередніми версіями. Крім того, було впроваджено технологію
багатокористувацького MIMO (MU-MIMO). У межах MU-MIMO сигнали
маршрутизатора можуть розподілятися за кількома вимірами, що порівняно з
попереднім поколінням MIMO дозволяє здійснювати паралельну обробку
потоків даних. Впровадження відповідних технологій не лише підвищило
швидкість передавання даних у реальному часі, але й оптимізувало використання
мережевих ресурсів.
На сьогодні найновішою версією стандарту є протокол 802.11ax, який був
представлений у вересні 2019 року. Порівняно з 802.11ac він не лише додатково
оптимізує роботу в діапазоні 5 ГГц, але й приділяє значну увагу ефективності
використання діапазону 2,4 ГГц. У межах розвитку стандартів 802.11 у кожній
новій ітерації впроваджуються нові технології, спрямовані на підвищення
продуктивності мережі.
Wi‑Fi Alliance сприяє розвитку відповідних стандартів. Попередником
Wi‑Fi Alliance була організація Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA)
[3]. У 1999 році з метою сприяння розробці специфікації IEEE 802.11b було
створено Wireless Ethernet Compatibility Alliance. Крім того, альянс надає послуги
сертифікації продукції, що відповідає відповідним стандартам, для вирішення
проблем сумісності між різними пристроями та сприяння розвитку протоколу
IEEE 802.11. У 2002 році WECA було перейменовано на Wi‑Fi Alliance. На
сьогодні Wi‑Fi Alliance спростив найменування окремих стандартів: зокрема,
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 35
а
протокол останнього покоління IEEE 802.11ax отримав назву Wi-Fi 6 [4], а IEEE
802.11ac — Wi-Fi 5.
Таблиця 3.1. – Еволюція стандартів Wi‑Fi
Код Частота Сигнал Рік Еволюція продуктивності
протоколу (ГГц) випуску
802.11 2.4 FHSS/DSSS 1997 Один із перших стандартів
бездротових локальних мереж WLAN.
802.11a 5 OFDM 1999 802.11a забезпечує вищу швидкість у
всій зоні покриття та працює на
частоті 5 ГГц. На даний момент цей
діапазон використовується не дуже
активно, тому має менше перешкод і
конфліктів сигналу. 802.11a також
використовує протокол CSMA/CA. На
фізичному рівні застосовується
ортогональне частотне
мультиплексування.
802.11b 2.4 HR-DSSS 1999 Може використовуватись не лише як
доповнення до дротової мережі, а й як
незалежна мережа, що дозволяє
користувачам позбутися обмежень
мережевих кабелів та реалізувати
мобільні застосування. Однією з
ключових технологій IEEE 802.11b є
використання модуляції CCK, що
дозволяє реалізувати динамічне
перетворення швидкості передачі
даних.
802.11g 2.4 OFDM 2003 Метою було врахування особливостей
802.11a та 802.11b і забезпечення
переходу від 802.11b до 802.11a.
Режими модуляції 802.11g включають
OFDM, що використовується в
802.11a, та CCK, що використовується
в 802.11b. Це дозволило досягти
швидкості передачі даних IEEE
802.11a до 54 Мбіт/с у діапазоні 2.4
ГГц та забезпечити сумісність із
продуктами IEEE 802.11b.
802.11n 2.4/5 OFDM 2009 Теоретична швидкість може досягати
600 Мбіт/с. 802.11n може працювати у
двох частотних діапазонах: 2.4 ГГц і 5
ГГц.
802.11ac 5 OFDM 2013 802.11ac є наступником 802.11n. Він
розширює концепцію повітряного
інтерфейсу 802.11n, включаючи
ширшу смугу пропускання RF (до 160
МГц), більшу кількість просторових
потоків MIMO (до 8),
багатокористувацький MIMO та
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 36
а
модуляцію вищого порядку (до 256-
QAM).
802.11ax 2.4/5 OFDMA 2019 Ортогональний множинний доступ із
частотним поділом каналів,
багатокористувацький множинний вхід
і вихід, високорівнева модуляція,
цільовий час пробудження.
3.3. Інновації та оптимізація Wi-Fi 6
Продуктивність Wi-Fi 6 була суттєво покращена. Із розширенням кількості
сценаріїв застосування, таких як відеоконференції та мобільне навчання, зростає
і кількість термінальних пристроїв, що використовують мережу.
Таблиця 3.2. – Порівняння стандартів Wi‑Fi 4, Wi‑Fi 5 та Wi‑Fi 6
Параметр Wi‑Fi 4 Wi‑Fi 5 Wave Wi‑Fi 5 Wave Wi‑Fi 6
1 2
Стандарт 802.11n 802.11ac 802.11ac 802.11ax
Робочий частотний 2.4/5 ГГц 5 ГГц 5 ГГц 2.4/5 ГГц
діапазон
Максимальна ширина 40 МГц 80 МГц 160 МГц 160 МГц
каналу
Максимальна 64QAM 256QAM 256QAM 1024QAM
модуляція
Швидкість одного 150 Мбіт/с 433 Мбіт/с 867 Мбіт/с 1201 Мбіт/с
потоку
Максимальний 4×4 8×8 8×8 8×8
просторовий потік
MU‑MIMO Н/Д Н/Д Низхідний Висхідний/низхідний
канал канал
Збільшення кількості підключених пристроїв негативно впливає на
ефективність мережі. Наразі Wi-Fi 6 [5] впроваджує такі технології, як висхідний
MU-MIMO, ортогональний множинний доступ із частотним розподілом каналів
(OFDMA), високорівнева модуляція 1024-QAM та інші рішення, які
забезпечують вирішення проблем мережевої ємності та ефективності
передавання даних шляхом оптимізації використання спектральних ресурсів і
багатокористувацького доступу. Основною метою є збільшення середньої
пропускної здатності для користувачів щонайменше у чотири рази, а також
підвищення кількості одночасно підключених користувачів більш ніж утричі
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 37
а
порівняно з сучасним стандартом Wi-Fi 5 в умовах високої щільності
користувачів.
3.3.1. Ортогональний множинний доступ із частотним поділом каналів
(OFDMA)
Перехід від OFDM до OFDMA. До появи Wi-Fi 6 передача даних
здійснювалася з використанням режиму OFDM. У цьому режимі один
користувач займає всі піднесучі частоти та передає повний пакет даних протягом
одного часового інтервалу. Хоча такий режим передачі може задовольняти
потреби одного користувача, при передачі невеликих пакетів даних немає
необхідності використовувати всі піднесучі. Тому такий спосіб передачі певною
мірою призводить до неефективного використання мережевих ресурсів та
збільшує час очікування для інших користувачів у багатокористувацькому
середовищі.
Рисунок 3.2. – Порівняння OFDM та OFDMA
Для покращення користувацького досвіду в протокол Wi-Fi 6 було
впроваджено технологію OFDMA. OFDMA реалізує багатокористувацьке
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 38
а
мультиплексування ресурсів каналу шляхом розподілу піднесучих між різними
користувачами та додавання механізму множинного доступу до системи OFDM.
Крім того, у протоколі Wi-Fi 6 мінімальний підканал — «одиниця ресурсу»
(Resource Unit, RU) — містить щонайменше 26 піднесучих. Оскільки дані
користувача передаються через RU за допомогою піднесучих, у кожному
часовому інтервалі можлива одночасна передача даних для кількох користувачів
[6].
Режим передачі OFDMA краще адаптований до сценаріїв використання з
малими пакетами даних. У реальному процесі передачі через поганий стан
каналу деяких вузлів існує ймовірність втрати даних, якщо не виконувати
ефективне регулювання. Однак у Wi-Fi 6 це явище може бути значно зменшене.
Оскільки RU є найменшим підканалом у режимі передачі OFDMA, а Wi-Fi 6
може розподіляти потужність передачі відповідно до якості каналу, це дозволяє
здійснювати передачу з використанням оптимальних ресурсів RU.
Для користувачів вимоги до пропускної здатності є різними. У режимі
OFDMA один користувач може використовувати одну або кілька груп RU для
задоволення своїх потреб у пропускній здатності. У багатокористувацькому
середовищі, оскільки кілька користувачів можуть одночасно спільно
використовувати канал у режимі OFDMA, затримка передачі значно
зменшується порівняно з OFDM.
Режим передачі OFDMA здатний задовольнити різноманітні потреби
користувачів. Він забезпечує вищу ефективність передачі та кращу
продуктивність при роботі з невеликими пакетами даних.
3.3.2. Багатокористувацький множинний вхід і множинний вихід (MU-
MIMO)
Технологія MIMO підвищує пропускну здатність передачі даних. Вона
включає просторове рознесення та просторове мультиплексування. Просторове
мультиплексування дозволяє передавати декілька потоків даних одного або
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 39
а
кількох користувачів одночасно без зміни ширини каналу. Технологію MIMO
можна поділити на однокористувацьку MIMO (SU-MIMO) та
багатокористувацьку MIMO (MU-MIMO).
У процесі передачі SU-MIMO точка доступу (AP) може взаємодіяти лише
з одним користувачем, що дозволяє збільшити пропускну здатність для окремого
користувача. На відміну від SU-MIMO, MU-MIMO забезпечує одночасну
передачу даних кільком терміналам. Оскільки технологія MU-MIMO дозволяє
реалізувати паралельну передачу між точкою доступу та кількома терміналами,
загальна пропускна здатність системи збільшується.
Таблиця 3.3. – Порівняння OFDMA та MU-MIMO
OFDMA MU-MIMO
Підвищення ефективності Збільшення пропускної здатності
Зменшення затримки Вища швидкість для одного
користувача
Найкраще підходить для застосунків із Найкраще підходить для
низькими вимогами до пропускної застосунків із високими вимогами
здатності до пропускної здатності
Найбільш придатне для передачі Найбільш придатне для передачі
невеликих пакетів даних великих пакетів даних
У стандарті 802.11ac Wave 2 впроваджена технологія MIMO підтримувала
лише низхідну передачу даних і могла одночасно передавати дані максимум
чотирьом користувачам. Висхідна передача даних користувачів усе ще
виконувалася послідовно й не підтримувала одночасну передачу. Проте у Wi-Fi
6 ця технологія була реалізована значно повніше.
Wi-Fi 6 використовує повноцінну технологію MU-MIMO (рис. 3.3). На
стороні низхідної передачі даних деякі версії протоколу 802.11ac підтримували
DL 4×4 MU-MIMO, тоді як у Wi-Fi 6 DL MU-MIMO було вдосконалено до
режиму передачі 8×8. Для висхідної передачі даних у попередніх протоколах
підтримувався лише UL SU-MIMO, а Wi-Fi 6 вперше впровадив UL MU-MIMO
для передачі даних кількома просторовими потоками з використанням
однакових ресурсів каналу в багатокористувацькому середовищі.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 40
а
Таким чином, після впровадження DL MU-MIMO у Wi-Fi 6 протокол почав
підтримувати як DL, так і UL MU-MIMO. Завдяки підтримці технології MU-
MIMO продуктивність Wi-Fi 6 значно покращується в умовах
багатокористувацької передачі даних [7].
Рисунок 3.3. – Послідовність планування висхідної передачі даних у
багатокористувацькому режимі
У стандарті Wi-Fi 6 технології OFDMA та MU-MIMO розвиваються
спільно. З технічної точки зору OFDMA підтримує одночасну роботу кількох
користувачів шляхом поділу каналу на підканали, що підвищує ефективність
паралельної передачі даних, тоді як MU-MIMO забезпечує підтримку кількох
користувачів за рахунок використання різних просторових потоків, збільшуючи
пропускну здатність системи.
У протоколі Wi-Fi 6 ці дві технології можуть застосовуватись одночасно.
Завдяки спільному використанню різних технологічних рішень вдається
підвищити швидкість передачі даних і водночас ефективно зменшити затримки.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 41
а
У багатокористувацькому середовищі це суттєво покращує якість
користувацького мережевого досвіду.
3.3.3. Цільовий час пробудження (Target Wake-Up Time, TWT)
Технологія TWT дозволяє термінальним пристроям працювати довше без
підзарядки. Із розвитком технологій усе більше електронних пристроїв
підключаються до бездротових мереж. З боку споживача, окрім мобільних
телефонів, ноутбуків та інших електронних пристроїв, у домашній бездротовій
мережі також присутня велика кількість пристроїв розумного дому. Більшість із
цих пристроїв працює від батареї. Якщо вони залишаються активними тривалий
час без виконання корисної роботи, виникає проблема неефективного
споживання енергії.
У Wi-Fi 6 була впроваджена технологія TWT (рис. 3.4), яка дозволяє
пристроям узгоджувати час пробудження та переходити в режим сну за
відсутності передачі даних. Ця технологія ефективно знижує споживання енергії
акумулятора та забезпечує триваліший час автономної роботи пристроїв.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 42
а
Рисунок 3.4. – Ілюстрація технології TWT
Окрім технологій, згаданих вище, у Wi-Fi 6 для підвищення
продуктивності також були впроваджені технологія високорівневої модуляції та
механізм BSS Coloring. Завдяки підтримці відповідних технологій взаємодія між
термінальними пристроями та точкою доступу (AP) стала більш ефективною та
стабільною, що не лише підвищує пропускну здатність мережі, але й зменшує
затримки передачі даних.
З боку споживачів постійно зростає рівень використання пристроїв
розумного дому, що висуває вищі вимоги до мережевої ємності. Із розвитком
Інтернету речей (IoT) кількість пристроїв, підключених до мережі,
продовжуватиме збільшуватися як у споживчій, так і в промисловій сферах. У
таких умовах мережі Wi-Fi стануть одним із основних варіантів бездротового
мережевого доступу для різноманітних пристроїв.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 43
а
3.4. Спільний розвиток технологій 5G та Wi-Fi 6
3.4.1. Конкуренція між Wi-Fi та мобільними мережами
Мережа Wi-Fi має більше переваг з точки зору вартості використання.
Якщо порівнювати спектри, що використовуються Wi-Fi 6 та 5G, то Wi-Fi
працює в неліцензованому спектрі, де відповідні частоти можуть
використовуватись для передачі даних за умови дотримання прав інших
користувачів. Однак спектр мобільного зв’язку в більшості країн світу надається
через аукціони, тому спектр 5G, як і інші спектри мобільного зв’язку, оператори
отримують шляхом придбання ліцензії на аукціоні.
Крім того, мережа Wi-Fi є розширенням дротової мережі та більше
базується на фіксованій інфраструктурі. Для споживачів ці відмінності
насамперед проявляються у вартості використання [8]. При використанні
мобільної мережі користувачі оплачують послуги відповідно до обсягу
використання. Оскільки мережі Wi-Fi переважно базуються на фіксованих
мережах і можуть обслуговувати декілька терміналів одночасно, при відносно
сталих витратах на фіксовану мережу вартість використання для одного
термінала зменшується зі збільшенням кількості підключених пристроїв. Тому з
точки зору вартості використання мережа Wi-Fi має більше переваг.
Твердження про те, що мобільні мережі повністю замінять Wi-Fi, викликає
активні дискусії під час впровадження кожного нового покоління мобільного
зв’язку. На сьогодні в провідних країнах світу вже реалізовано комерційне
використання 5G, а продуктивність технологій мобільного зв’язку п’ятого
покоління суттєво зросла. Однак технології Wi-Fi також постійно
вдосконалюються: оновлюються відповідні стандарти та впроваджуються нові
технологічні рішення для підвищення продуктивності мережі й забезпечення
кращого користувацького досвіду.
Крім того, з точки зору циклу розвитку технологій, оновлення мобільних
стандартів зв’язку відбувається приблизно раз на 10 років, тоді як стандарти Wi-
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 44
а
Fi оновлюються орієнтовно кожні 5 років. З огляду на високий рівень поширення
Wi-Fi та сформовані звички користувачів, імовірність повного витіснення Wi-Fi
мережами мобільного зв’язку залишається низькою.
3.4.2. Координований розвиток Wi-Fi 6 та 5G
Між Wi-Fi 6 та 5G існують відмінності у продуктивності, проте кожна з
технологій має власні переваги. 5G і Wi-Fi 6 є відповідно наступним поколінням
мобільних бездротових технологій та наступним поколінням технологій Wi-Fi.
Хоча архітектури цих мереж відрізняються, обидві технології забезпечують
значне покращення продуктивності порівняно з попередніми поколіннями.
Зокрема, пропускна здатність мереж 5G значно перевищує можливості 4G,
а теоретична швидкість низхідної передачі може досягати 10 Гбіт/с. Крім того,
затримка в мережах 5G може становити лише кілька мілісекунд, а щільність
підключення — до 1 мільйона пристроїв на квадратний кілометр. Як затримка,
так і щільність підключення приблизно у 10 разів перевищують показники мереж
4G. Завдяки цьому можуть бути реалізовані три основні сценарії використання
5G:
eMBB (enhanced Mobile Broadband — покращений мобільний
широкосмуговий доступ);
uRLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication — наднадійний зв’язок
із низькою затримкою);
mMTC (massive Machine Type Communications — масові комунікації
Інтернету речей).
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 45
а
Рисунок 3.5. – Сценарії використання 5G та Wi-Fi 6
Для порівняння, згідно зі «Звітом про якість інтелектуального апаратного
забезпечення за 2019 рік (фаза II)», опублікованим China Mobile [8], під час
тестування маршрутизаторів одного бренду різних стандартів було встановлено,
що маршрутизатори Wi-Fi 6 значно покращили продуктивність з точки зору
швидкості передачі та затримки. Причому зі збільшенням кількості користувачів
ці переваги стають ще помітнішими. У діапазоні 5 ГГц порівняно з Wi-Fi 5
швидкість для одного користувача збільшується на 29%, а затримка зменшується
більш ніж на 5 мс. У багатокористувацькому режимі швидкість передачі
збільшується більш ніж на 47%. Загалом максимальна швидкість низхідної
передачі Wi-Fi 6 може досягати 9,6 Гбіт/с, а середня мережева затримка
знижується до 20 мс. Оскільки Wi-Fi та 5G використовують різні мережеві
архітектури, вони відрізняються за характеристиками продуктивності, але
водночас мають власні переваги (рис. 3.5).
5G та Wi-Fi 6 орієнтовані на різні сценарії застосування, тому ці технології
розвиватимуться паралельно. Хоча і 5G, і Wi-Fi 6 здатні забезпечити
високощільний бездротовий доступ та високопродуктивні бездротові сервіси [8],
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 46
а
акценти їх використання відрізняються. Технологія 5G використовує для
передачі даних високочастотний діапазон Sub-6 GHz або навіть міліметрові
хвилі. Використання вищих частот підвищує пропускну здатність, однак
одночасно зменшує довжину електромагнітної хвилі, знижує площу покриття
порівняно з 4G та погіршує здатність сигналу проникати крізь перешкоди. Тому
мережі 5G демонструють кращу продуктивність у відкритих просторах на
відкритому повітрі.
Крім того, мобільна мережа 5G забезпечує безперервне покриття, що
дозволяє підтримувати роботу мобільних терміналів — це перевага, якої не
мають технології короткодіапазонного зв’язку. Саме тому 5G має значні
переваги у зовнішніх сценаріях використання, наприклад в Інтернеті
транспортних засобів.
У приміщеннях, хоча малі базові станції 5G можуть ефективно
покращувати рівень сигналу, користувачі також потребують більш економічного
високошвидкісного доступу до Інтернету у відносно стаціонарних середовищах,
таких як житлові будинки чи офіси. У таких умовах мережі Wi-Fi здатні
ефективно задовольняти відповідні вимоги. Із постійним збільшенням кількості
інтелектуальних пристроїв у приміщеннях потреба у високощільних
підключеннях також зростає. Крім того, відео високої чіткості, VR-технології та
голосові виклики є дуже чутливими до пропускної здатності та затримок, тому
саме в таких сценаріях переваги Wi-Fi 6 стають особливо помітними.
Також варто зазначити, що оснащення всіх пристроїв, які
використовуються всередині приміщень, SIM-модулями може негативно
вплинути на конструкцію пристроїв, їхню вартість та зручність використання для
споживачів. Отже, 5G і Wi-Fi 6 мають свої переваги у різних сферах застосування
та будуть розвиватися спільно [9].
Технології 5G та Wi-Fi 6 забезпечують значне покращення продуктивності
порівняно з попередніми поколіннями стандартів. Обидві технології здатні
підтримувати високощільний бездротовий доступ і надавати високопродуктивні
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 47
а
бездротові сервіси. Проте через відмінності у принципах побудови мереж вони
краще адаптовані до різних сценаріїв використання.
Зокрема, мережі 5G мають переваги у зовнішньому середовищі та здатні
забезпечувати зв’язок для високошвидкісних мобільних терміналів. У свою
чергу, Wi-Fi 6 може надавати більш економічні мережеві рішення для Інтернету
речей у приміщеннях. Таким чином, обидві технології можуть забезпечувати
необхідну мережеву підтримку для сервісів Інтернету речей, однак кожна з них
орієнтована на власні сфери застосування. Саме тому 5G та Wi-Fi 6
розвиватимуться паралельно та взаємодоповнюватимуть одна одну.
3.5 Високоякісне мережеве з’єднання та розвиток Інтернету речей як
чинники зростання попиту на Wi-Fi 6
Потреба у використанні мережі є важливим фактором, що стимулює
розвиток Wi-Fi 6. На початковому етапі розробки Wi-Fi 6 основна увага
приділялася підтримці мережевих сервісів із високою щільністю користувачів та
великою пропускною здатністю, включаючи відкриті громадські простори, місця
з великою кількістю людей, офіси з високою щільністю бездротового доступу,
електронні навчальні аудиторії та інші подібні сценарії.
Оскільки мережі 5G мають більше переваг у зовнішньому середовищі,
саме внутрішні приміщення стали одним із найважливіших сценаріїв
застосування Wi-Fi 6. У приміщеннях попит на інформаційні та розважальні
сервіси, підключення інтелектуальних пристроїв і офісні мережеві рішення став
важливим чинником розвитку Wi-Fi 6.
3.5.1. Зростання попиту на високоякісне мережеве з’єднання
Відео формату 4K/8K Ultra HD значно підвищили вимоги до пропускної
здатності мережі. Технологія відео надвисокої чіткості є новим етапом
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 48
а
технологічного розвитку відеоіндустрії після переходу до цифрового та HD-
відео й має велике значення як для споживачів, так і для культурної індустрії.
Створення типових сценаріїв використання відео надвисокої чіткості
охоплює такі сфери, як радіомовлення і телебачення, культура, освіта та розваги,
системи безпеки й моніторингу, медицина та охорона здоров’я, інтелектуальний
транспорт, промислове виробництво тощо. Для споживачів основним об’єктом
споживання є контент. Завдяки державній підтримці прискорюється розвиток
високоякісного відеоконтенту. У міру поступового розширення UHD-контенту
питання передачі відео стає одним із ключових.
Щодо вимог до пропускної здатності, традиційним HD-сервісам достатньо
приблизно 20 Мбіт/с. Для повноцінного відео 4K необхідна пропускна здатність
понад 100 Мбіт/с, тоді як відео формату 8K потребує ще вищої швидкості
передачі даних. Таким чином, відео надвисокої чіткості висуває значно вищі
вимоги до пропускної здатності мережі.
Якість передачі даних безпосередньо впливає на користувацький досвід у
VR-системах. VR є віртуальним середовищем, створеним за допомогою
комп’ютерних технологій. З одного боку, ця технологія задовольняє потреби
розважального сегмента 2C, а з іншого — здатна стимулювати розвиток
промислових і корпоративних рішень у сегменті 2B. На сьогодні технологія VR
поступово впроваджується, а деякі продукти вже доступні на ринку. Проте під
час практичного використання через проблеми мережевої передачі та інші
фактори користувачі можуть відчувати дискомфорт, що негативно впливає на
користувацький досвід.
Крім того, із розвитком хмарних та периферійних обчислень локальні VR-
рішення поступово трансформуються у Cloud VR, що ще більше підвищує
вимоги до мережі. Згідно з даними компанії Huawei, технологія VR має високі
вимоги як до пропускної здатності, так і до затримки мережі. Тому зі зростанням
популярності VR-технологій попит на високоякісні мережеві з’єднання також
постійно збільшується.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 49
а
З точки зору відповідних сценаріїв використання, UHD-відео, VR та інші
подібні застосунки переважно використовуються в приміщеннях. Оскільки Wi-
Fi є основним засобом передачі даних у внутрішньому середовищі, збільшення
попиту на такі сервіси призводить до зростання мережевого навантаження.
Таким чином, потреби користувачів стимулюють розвиток та вдосконалення
стандартів Wi-Fi для забезпечення стабільної роботи мережі.
Як стандарт нового покоління, Wi-Fi 6 здатний задовольнити вимоги
застосунків UHD-відео та VR. Із подальшим зростанням кількості сумісних
пристроїв це сприятиме ще ширшому впровадженню відповідних стандартів.
3.5.2. Попит на Інтернет речей поступово зростає
Мережа Wi-Fi є важливою складовою підключення інтелектуальних
пристроїв. Інтернет речей (IoT) став одним із ключових напрямів розвитку
сучасних технологій. На відміну від користувацьких пристроїв, таких як
ноутбуки, IoT-пристрої потребують детермінованих бездротових сервісів,
наприклад регулярного обміну даними кожні 5 мілісекунд, інакше можливе
вимкнення пристрою або перехід у режим низького енергоспоживання.
Традиційно такі вимоги забезпечувалися за допомогою пропрієтарних,
спеціалізованих або операторських технологій. Проте завдяки значним
перевагам масштабу та простоті управління корпоративні мережі Wi-Fi дедалі
частіше стають основною платформою для підключення IoT-пристроїв у
приміщеннях.
Для задоволення потреб IoT Wi-Fi 6 та його функціональні можливості,
зокрема низьке енергоспоживання та гарантована передача даних, мають
сприяти подальшому поширенню цієї технології. Згідно з даними Cisco, Wi-Fi
уже є третім за популярністю способом підключення пристроїв Інтернету речей.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 50
а
Рисунок 3.6. – Зростання кількості пристроїв IoT
У 2021 році кількість IoT-пристроїв, підключених через Wi-Fi, сягнув 12
мільярдів (рис. 3.6).
3.6. Сценарії інтелектуального промислового виробництва
З погляду швидкості передавання даних, Wi-Fi 6 було вдосконалено
шляхом впровадження технології MU-MIMO, що дало змогу збільшити
максимальну швидкість передачі до 9,6 Гбіт/с. Технологія мобільного зв’язку
5G, завдяки використанню масивного MIMO (Massive MIMO), забезпечує
максимальну швидкість до 10 Гбіт/с. Щодо пропускної здатності мережі, Wi-Fi
6 підтримує технологію OFDMA, яка дозволяє багатьом пристроям і застосункам
одночасно передавати та приймати дані. У свою чергу, мережі 5G
використовують технологію NOMA, що забезпечує підключення більшої
кількості користувачів без суттєвого зниження швидкості передачі даних.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 51
а
Незважаючи на те, що Wi-Fi 6 демонструє характеристики, близькі до
показників 5G, на сучасному етапі він має низку переваг для використання в
промислових середовищах [11]. По-перше, розгортання мереж 5G лише набирає
обертів. Від створення покриття макробазовими станціями до забезпечення
стабільного внутрішнього зв’язку за допомогою малих базових станцій
проходить значний проміжок часу. Водночас більшість промислових
підприємств уже оснащені дротовою мережевою інфраструктурою, що спрощує
впровадження бездротового зв’язку на основі Wi-Fi.
По-друге, механізми тарифікації промислових приватних мереж 5G наразі
залишаються недостатньо сформованими. На сьогодні доступні переважно
споживчі тарифні плани 5G, які передбачають обмежений обсяг мобільного
трафіку. Проте промислові застосування характеризуються значними обсягами
передавання даних, тому встановлених лімітів може бути недостатньо для
забезпечення безперебійної роботи виробничих процесів.
Рисунок 3.7. – Частка ринку корпоративних маршрутизаторів у період 2019Q1–
2020Q1
На відміну від цього, Wi-Fi 6 використовує наявну дротову мережу через
бездротові маршрутизатори. Витрати на дротовий зв’язок, як правило, мають
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 52
а
фіксований характер, тоді як придбання маршрутизатора є одноразовою
інвестицією. У міру збільшення терміну експлуатації обладнання питомі витрати
на організацію мережі зменшуються. Таким чином, використання Wi-Fi 6 у
промислових сценаріях є економічно доцільнішим і забезпечує вагомі переваги
з точки зору вартості впровадження та експлуатації.
Під час тестування Wi-Fi 6 використовував канал із шириною смуги
пропускання 80 МГц, що забезпечило швидкість завантаження даних до 700
Мбіт/с при затримці менше 6 мс. У межах випробувань було реалізовано низку
практичних застосувань, зокрема передавання відео у форматі 4K, передачу
великих файлів, обмін повідомленнями, голосовий та відеозв’язок, а також
роботу датчиків Інтернету речей (IoT).
Результати тестування продемонстрували, що технологія Wi-Fi 6 здатна
забезпечувати бездротовий зв’язок із високою надійністю, якістю
обслуговування, значною пропускною здатністю та низьким рівнем затримок. З
огляду на отримані результати, компанія Mettis Aerospace планує протягом
наступних п’яти років розгорнути мережу Wi-Fi 6 на всій території підприємства
в межах комплексної модернізації своєї ІТ-інфраструктури.
3.6.1. Wi-Fi 6 як основа мережевої взаємодії в системах розумного будинку
Концепція розумного будинку використовує житлове приміщення як
базове середовище функціонування та поєднує технології автоматичного
керування, комп’ютерні технології й технології Інтернету речей (IoT). Вона
забезпечує інтеграцію систем керування побутовими приладами, моніторингу
навколишнього середовища, інформаційного менеджменту та мультимедійних
сервісів. Завдяки централізованому управлінню домашнім обладнанням
розумний будинок створює більш комфортні, безпечні, енергоефективні та
зручні умови проживання.
Із розвитком інформаційно-комунікаційних технологій системи розумного
будинку поступово стають невід’ємною складовою повсякденного життя.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 53
а
Очікується, що в майбутньому вони будуть широко використовуватися в
житловому секторі та стануть стандартним елементом сучасного житла.
За даними Strategy Analytics, обсяг світового ринку розумного будинку у
2017 році досяг 84 млрд дол. США, що на 16 % більше порівняно з 72 млрд дол.
США у 2016 році. У 2018 році загальні витрати споживачів на пристрої, системи
та послуги розумного будинку у світі наблизилися до 96 млрд дол. США.
Прогнозується, що протягом періоду 2018–2023 років середньорічний темп
зростання (CAGR) становитиме близько 10 %, а обсяг ринку досягне 155 млрд
дол. США. Найбільшу частку витрат формує Північна Америка — близько 40
млрд дол. США або 41 % світового ринку. Наступними за обсягом є Азійсько-
Тихоокеанський регіон із показником 26 млрд дол. США та Західна Європа з
обсягом близько 17 млрд дол. США.
Стрімке поширення систем розумного будинку висуває підвищені вимоги
до домашніх бездротових мереж. У цьому контексті технологія Wi-Fi 6 виступає
ключовою платформою для забезпечення стабільного підключення великої
кількості пристроїв Інтернету речей, систем відеоспостереження,
мультимедійного обладнання та засобів автоматизації. Завдяки підтримці
технологій OFDMA, MU-MIMO та TWT мережі Wi-Fi 6 забезпечують високу
пропускну здатність, низькі затримки та ефективне використання мережевих
ресурсів, що робить їх важливою складовою сучасних екосистем розумного
будинку.
Наразі в системах розумного будинку найбільшого поширення набули три
бездротові протоколи зв’язку: Wi-Fi, Bluetooth та ZigBee.
Технологія Bluetooth є відкритим глобальним стандартом бездротової
передачі даних і голосової інформації. Вона забезпечує створення
комунікаційного середовища між стаціонарними та мобільними пристроями на
основі недорогого короткодистанційного бездротового з’єднання.
Протокол ZigBee є бездротовою мережевою технологією, призначеною для
передачі даних на невеликі відстані з низькою швидкістю обміну інформацією.
Його архітектура базується на фізичному рівні та рівні доступу до середовища
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 54
а
передачі стандарту IEEE 802.15.4. Основними перевагами ZigBee є низьке
енергоспоживання, невисока вартість реалізації, підтримка великої кількості
підключених вузлів, можливість використання різних мережевих топологій,
низька складність реалізації, а також висока надійність і безпека передавання
даних.
Хоча всі три технології належать до протоколів бездротового зв’язку
малого радіуса дії, їхні технічні характеристики суттєво відрізняються. За
дальністю передачі сигналу технології можна розташувати в такому порядку:
Wi-Fi > ZigBee > Bluetooth. За рівнем енергоспоживання найбільш
енерговитратною є технологія Wi-Fi, далі йде Bluetooth, тоді як ZigBee
характеризується найнижчим споживанням енергії. Завдяки цьому пристрої
Bluetooth і ZigBee можуть тривалий час працювати від автономних джерел
живлення, зокрема батарей.
Щодо швидкості передавання даних, технологія Wi-Fi суттєво перевершує
інші рішення та забезпечує найвищу пропускну здатність. Далі за цим
показником розташовується ZigBee, тоді як Bluetooth має найнижчу швидкість
передавання даних серед розглянутих технологій. Саме тому Wi-Fi є найбільш
придатним для застосувань, що потребують передавання великих обсягів
інформації, таких як потокове відео високої роздільної здатності, мультимедійні
сервіси та інтегровані системи розумного будинку.
Таблиця 3.4 – Порівняння бездротових протоколів для систем розумного
будинку
Характеристика Wi‑Fi ZigBee Bluetooth
Дальність передачі Найбільша Середня Найменша
Енергоспоживання Високе Низьке Середнє
Швидкість передачі Найвища Середня Найнижча
даних
Порівняно з Wi-Fi, технологія ZigBee має певні переваги з точки зору
енергоспоживання та забезпечення зв’язку на значних відстанях, хоча її
максимальна швидкість передавання даних є дещо нижчою. Однак на практиці
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 55
а
застосування ZigBee має низку обмежень. Зокрема, більшість пристроїв ZigBee
використовують у Китаї частотний діапазон 2,4 ГГц ISM, який характеризується
відносно низькою дифракційною здатністю та обмеженою проникністю сигналу
через перешкоди. Крім того, робота ZigBee може зазнавати негативного впливу
через завади від мереж Wi-Fi та пристроїв Bluetooth, які функціонують у тому
самому частотному діапазоні.
Додатковими стримувальними факторами є складність розроблення
обладнання на базі ZigBee, тривалі цикли створення продукції, вища вартість
рішень та відносно низький рівень поширення технології на ринку. У зв’язку з
цим на сучасному етапі саме Wi-Fi є найбільш поширеним і домінуючим
протоколом бездротового зв’язку для побудови систем розумного будинку.
Маршрутизатори доступу використовуються для підключення домашніх
користувачів і малих підприємств до мережі Інтернет через постачальників
послуг зв’язку (ISP). За підтримуваними частотними діапазонами
маршрутизатори доступу поділяються на однодіапазонні та дводіапазонні.
Однодіапазонний маршрутизатор є традиційним типом маршрутизатора,
який підтримує передачу сигналу Wi-Fi лише в частотному діапазоні 2,4 ГГц.
Сигнал частотою 2,4 ГГц характеризується високою проникною здатністю та
більшою дальністю поширення. Завдяки цим особливостям він забезпечує
ефективніше покриття у великих житлових приміщеннях. Проте суттєвим
недоліком є те, що більшість бездротових пристроїв працюють саме в цьому
діапазоні, тому в місцях із великою кількістю користувачів рівень взаємних завад
може бути досить високим.
Дводіапазонний маршрутизатор, окрім сигналу Wi-Fi у діапазоні 2,4 ГГц,
підтримує також передачу даних у діапазоні 5 ГГц. Основними перевагами Wi-
Fi 5 ГГц є ширша смуга пропускання, менша завантаженість бездротового
середовища, нижчий рівень перешкод, стабільніша швидкість передачі даних та
можливість підтримки вищих швидкостей бездротового з’єднання.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 56
а
Водночас сигнал частотою 5 ГГц зазнає більших втрат під час поширення
в повітрі та проходження через різні перешкоди. Унаслідок цього радіус
покриття мережі 5 ГГц зазвичай є меншим порівняно з мережею 2,4 ГГц.
Таким чином, діапазон 2,4 ГГц забезпечує краще покриття та проникнення
сигналу через перешкоди, тоді як діапазон 5 ГГц дозволяє досягти вищої
швидкості передачі даних і зменшити вплив радіоперешкод. Саме тому сучасні
дводіапазонні маршрутизатори є найбільш поширеним рішенням для організації
бездротового доступу до мережі.
3.7. Аналіз ринку та тенденцій розвитку обладнання Wi-Fi
З точки зору популярності брендів, у 2019 році компанія TP-Link, яка
тривалий час займала провідні позиції на ринку бездротових маршрутизаторів,
продемонструвала зниження рівня ринкової уваги та посіла друге місце з
показником 14,9 %. Водночас компанія Huawei протягом останніх років
стабільно зміцнювала свої позиції на ринку та у 2019 році досягла рівня
популярності 16,8 %, посівши перше місце за показником уваги споживачів.
3.7.1 Аналіз ключових компонентів обладнання Wi-Fi та тенденцій їх
розвитку
Згідно з прогнозом, наведеним у дослідженні світового ринку Wi-Fi-чипів,
опублікованому компанією MarketsandMarkets, обсяг світового ринку мікросхем
Wi-Fi у 2016 році становив 15,89 млрд дол. США. Очікується, що до 2026 року
цей показник зросте до 19,72 млрд дол. США.
Серед провідних постачальників процесорів для маршрутизаторів
стандарту Wi-Fi 6 можна виділити HiSilicon, MediaTek, Broadcom, Qualcomm та
Intel. Більшість виробників використовують процесорні ядра архітектури Cortex-
A53 компанії Arm Holdings, хоча окремі рішення також базуються на архітектурі
MIPS.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 57
а
З технологічної точки зору одними з найсучасніших є чипи Wi-Fi 6
компанії Qualcomm, які виготовляються за 14-нм технологічним процесом.
Більшість інших виробників на той момент використовували мікросхеми,
створені за 28-нм технологією. Щодо обчислювальної продуктивності,
мінімальною типовою конфігурацією для сучасних маршрутизаторів Wi-Fi 6 є
двоядерний процесор. Водночас рішення Qualcomm демонструють вищий рівень
продуктивності завдяки використанню чотириядерних процесорних систем, що
забезпечує ефективнішу обробку мережевого трафіку та підтримку великої
кількості одночасних підключень.
3.7.2. Архітектура бездротових чипів у пристроях Wi-Fi
Окремий бездротовий чип призначений для оброблення одного
радіосигналу. Він може бути реалізований у вигляді двох окремих мікросхем,
одна з яких відповідає за роботу в діапазоні 2,4 ГГц, а інша — у діапазоні 5 ГГц,
або ж функції оброблення можуть бути інтегровані в одному чипі. Деякі моделі
процесорів також здатні обробляти сигнали одного частотного діапазону (2,4
ГГц або 5 ГГц) або одночасно працювати з обома діапазонами.
Згідно з наявними статистичними даними, у більшості сучасних пристроїв
Wi-Fi використовується підхід, за якого один бездротовий чіп обслуговує один
частотний діапазон. Унаслідок цього до складу Wi-Fi-пристрою зазвичай
входять два або більше бездротових чипів.
Як приклад можна розглянути маршрутизатор Xiaomi AX3600, у якому
використовується процесор Qualcomm IPQ8071A. Для оброблення сигналів у
діапазоні 2,4 ГГц застосовується чип Qualcomm QCN5024, тоді як за роботу в
діапазоні 5 ГГц відповідає чип Qualcomm QCN5054. Така архітектура забезпечує
ефективну обробку трафіку в кожному частотному діапазоні та сприяє
підвищенню продуктивності бездротової мережі.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 58
а
3.7.3. Підсилювачі потужності та розвиток технології MU-MIMO
Технологія FEM (Front-End Module) стала основним рішенням для
реалізації бездротових підсилювачів потужності в сучасному обладнанні Wi-Fi.
Існує три основні варіанти побудови бездротового підсилювального тракту:
окреме використання підсилювача потужності (PA) та малошумного
підсилювача (LNA) у вигляді двох незалежних мікросхем; інтеграція PA та LNA
в одному модулі; а також застосування модуля FEM. Останній, крім інтеграції
функцій PA та LNA, забезпечує додаткові можливості, зокрема контроль і
вимірювання потужності сигналу.
Відповідно до статистичних даних, майже 70 % підсилювачів потужності,
що використовуються в маршрутизаторах стандарту Wi-Fi 6, реалізовані на
основі технології FEM. Це свідчить про тенденцію до підвищення рівня
інтеграції компонентів та покращення ефективності бездротових систем зв’язку.
Водночас спостерігається активний розвиток технології MU-MIMO.
Традиційно маршрутизатори підтримували конфігурації MU-MIMO типу 2×2,
3×3 або 4×4, а деякі моделі взагалі не підтримували цю технологію. На
початковому етапі впровадження Wi-Fi 6 найбільш поширеними були
конфігурації 2×2 та 4×4 MU-MIMO.
Наразі окремі виробники почали впроваджувати більш продуктивні
рішення з підтримкою конфігурації 4×2 MU-MIMO. Наприклад, маршрутизатор
ASUS RT-AX11000 оснащений підтримкою технології 4×2 MU-MIMO.
Аналогічні можливості реалізовані також у таких пристроях, як NETGEAR
Nighthawk RAX200, Orbi RBK852 та Linksys Velop MX5300.
3.8. Перспективи розвитку
Високі швидкості передачі даних, які забезпечує стандарт Wi-Fi 6,
матимуть значний вплив на розвиток сучасного інформаційного суспільства.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 59
а
Незважаючи на подібність окремих сфер застосування технологій Wi-Fi 6 та 5G,
стандарт Wi-Fi 6 зберігає власні унікальні переваги та сфери використання.
До таких сфер належать корпоративні бездротові локальні мережі
(WLAN), промислові середовища, зокрема розумні фабрики та автоматизовані
складські комплекси, а також сценарії з високою щільністю користувачів,
наприклад аеропорти, готелі, конференц-центри та великі спортивні споруди.
Крім того, Wi-Fi 6 є важливою технологічною основою для розвитку нових
інтелектуальних пристроїв, включаючи переносну електроніку, системи
розумного будинку, надвисокоякісні мультимедійні сервіси, а також технології
віртуальної та доповненої реальності (VR/AR).
Особливе значення технологія Wi-Fi 6 має для сервісів, що потребують
високої швидкості передачі даних, великої пропускної здатності та мінімальних
затримок. Одним із таких прикладів є телемедицина, де якість мережевого
з’єднання безпосередньо впливає на ефективність надання медичних послуг.
У процесі подальшої цифрової трансформації Wi-Fi зберігатиме свою
актуальність і довгострокову перспективність. В умовах інтеграції хмарних
технологій, Інтернету речей, автоматизованого управління та сучасних засобів
моніторингу мереж стандарт Wi-Fi продовжуватиме еволюціонувати як у
технологічному, так і в продуктовому аспектах.
Основні переваги, які Wi-Fi 6 надає підприємствам, полягають у
забезпеченні масового підключення пристроїв, покращенні користувацького
досвіду, підвищенні ефективності виробничих процесів, оптимізації бізнес-
процесів та створенні умов для впровадження інноваційних бізнес-моделей.
Порівняно з мережами п’ятого покоління, Wi-Fi 6 може розглядатися як
ефективне доповнення до технології 5G. Таке поєднання дозволяє знизити
витрати на розгортання мережевої інфраструктури та одночасно забезпечити
високий рівень продуктивності. У нову епоху цифрової інфраструктури
основними викликами стають потреби реальних сценаріїв використання:
забезпечення надвисоких швидкостей передачі даних для інтелектуальних
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 60
а
систем, наднизьких затримок для автономного транспорту, підтримка масового
підключення пристроїв та інтеграція різноманітних цифрових сервісів.
Таким чином, у найближчі роки очікується подальше стрімке розширення
асортименту пристроїв із підтримкою Wi-Fi 6, що сприятиме прискоренню
цифрової трансформації в різних галузях економіки та суспільного життя [6].
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 61
а
4 РОЗРОБКА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНОЇ МЕРЕЖІ НА ОСНОВІ
ПРОТОКОЛУ IEEE 802.11AX
4.1. Обґрунтування вибору програмного засобу для розробки та
моделювання бездротової мережі
Для виконання проєктування та розробки та моделювання бездротової
локальної мережі стандарту IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) було обрано програмний
комплекс Hamina Planner. Вибір даного програмного продукту зумовлений його
широкими можливостями щодо прогнозування параметрів бездротової мережі,
побудови карт покриття та оцінювання якості радіосигналу ще до фактичного
розгортання мережевої інфраструктури.
У процесі проєктування сучасних бездротових мереж важливе значення
має попереднє моделювання поширення радіосигналу в приміщеннях. Це
дозволяє визначити оптимальне розташування точок доступу, оцінити рівень
покриття, виявити потенційні зони зі слабким сигналом та мінімізувати вплив
взаємних завад між пристроями. Використання спеціалізованого програмного
забезпечення значно підвищує точність розрахунків порівняно з теоретичними
оцінками та спрощує процес прийняття проєктних рішень.
Hamina Planner є сучасною хмарною платформою для проєктування
бездротових мереж Wi-Fi. Програмний продукт підтримує актуальні стандарти
бездротового зв'язку, включаючи Wi-Fi 6 та Wi-Fi 6E, а також забезпечує
можливість імпорту планів приміщень, налаштування характеристик
будівельних матеріалів та автоматичного розрахунку зон покриття. Однією з
ключових переваг Hamina Planner є використання прогнозних моделей
поширення радіохвиль, які враховують вплив стін, дверей, перегородок та інших
перешкод на рівень сигналу.
До основних переваг програмного комплексу Hamina Planner належать
зручний вебінтерфейс, відсутність необхідності встановлення програмного
забезпечення на локальний комп'ютер, підтримка великої кількості моделей
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 62
а
точок доступу від провідних виробників, автоматизований підбір місць
встановлення обладнання та можливість побудови теплових карт покриття. Крім
того, система дозволяє оцінювати такі параметри мережі, як рівень прийнятого
сигналу (RSSI), співвідношення сигнал/шум (SNR), рівень перекриття зон
покриття та прогнозовану швидкість передавання даних.
Разом із перевагами Hamina Planner має певні недоліки. Насамперед слід
зазначити, що результати моделювання мають прогнозний характер і можуть
відрізнятися від реальних показників після фізичного розгортання мережі.
Точність розрахунків значною мірою залежить від правильності введення
параметрів приміщення та характеристик будівельних матеріалів. Крім того,
безкоштовна версія програмного продукту має певні функціональні обмеження
порівняно з професійними рішеннями, такими як Ekahau AI Pro або AirMagnet
Survey Pro.
Незважаючи на зазначені обмеження, Hamina Planner є ефективним
інструментом для навчальних і наукових досліджень, а також для попереднього
проєктування бездротових мереж стандарту Wi-Fi 6. Завдяки поєднанню
функціональності, доступності та простоти використання даний програмний
продукт дозволяє отримати достатньо точні результати для обґрунтування
проєктних рішень і виконання моделювання мережевої інфраструктури в межах
дипломної роботи.
4.2. Обґрунтування вибору об'єкта проєктування бездротової мережі
Для виконання проєктування та моделювання бездротової локальної
мережі стандарту IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) було обрано третій поверх першого
корпусу університету.
Третій поверх першого корпусу є важливою складовою навчальної
інфраструктури університету, де розташовані навчальні аудиторії, лабораторії,
викладацькі кабінети та допоміжні приміщення. Упродовж навчального дня на
поверсі одночасно перебуває значна кількість студентів та працівників
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 63
а
університету, які активно використовують мобільні пристрої, ноутбуки та інші
засоби доступу до мережі. Це створює характерне для сучасних освітніх установ
середовище з високою щільністю користувачів та значним навантаженням на
бездротову мережу.
На якість радіосигналу впливають внутрішні перегородки, несучі стіни,
дверні прорізи та інші конструктивні елементи будівлі, які можуть спричиняти
затухання сигналу та формування зон зі зниженим рівнем покриття.
Використання програмного комплексу Hamina Planner дає можливість врахувати
зазначені фактори під час моделювання та визначити оптимальне розташування
точок доступу для забезпечення рівномірного покриття всієї площі поверху.
Додатковою перевагою вибору цього об'єкта є наявність плану поверху
(рис. 4.1), який був використаний як основа для побудови цифрової моделі
приміщення. Це дозволяє виконати більш точний аналіз розповсюдження
радіохвиль, оцінити рівень сигналу в різних частинах поверху та визначити
можливі зони інтерференції між точками доступу.
Рисунок 4.1. – План третього поверху першого корпусу університету
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 64
а
Особливу актуальність дослідження обумовлює зростання потреб у
високошвидкісному бездротовому доступі до мережі в освітньому середовищі.
Використання систем дистанційного навчання, хмарних сервісів,
відеоконференцій, електронних бібліотек та інших інформаційних ресурсів
вимагає стабільної роботи мережі навіть за одночасного підключення великої
кількості користувачів. Саме тому стандарт IEEE 802.11ax, який забезпечує
підвищену пропускну здатність, ефективніше використання радіочастотного
спектра та підтримку великої кількості клієнтів, є доцільним вибором для
побудови мережі в навчальному корпусі.
4.3. Моделювання бездротової мережі в середовищі Hamina planner
У межах дипломної роботи було виконано прогнозне моделювання
бездротової локальної мережі для третього поверху першого корпусу
університету. Об’єкт має орієнтовну площу 500–800 м² та включає навчальні
аудиторії, службові приміщення, коридорні зони й допоміжні приміщення. Така
структура є типовою для навчального корпусу, де одночасно можуть працювати
студенти, викладачі та адміністративний персонал із великою кількістю
мобільних пристроїв.
Для побудови моделі використано хмарний інструмент Hamina Planner.
Програма дає змогу імпортувати план поверху, задавати параметри будівельних
конструкцій, розміщувати точки доступу, налаштовувати частотні діапазони та
формувати карти покриття. Основною вимогою до проєктованої мережі було
забезпечення рівня прийнятого сигналу не нижче RSSI ≥ -67 dBm, що є типовим
орієнтиром для навчальних приміщень, де використовуються вебсервіси,
відеоконференції, електронні навчальні платформи та передавання
мультимедійних даних.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 65
а
Таблиця 4.1 – Вихідні дані для моделювання
Параметр Значення
Третій поверх першого корпусу
Об’єкт проєктування
університету
Орієнтовна площа 500–800 м²
Програмний засіб Hamina Planner
Кількість точок доступу 3 шт.
Модель точки доступу TP-Link EAP225
2,4 ГГц та 5 ГГц; цільовий рівень
Частотні діапазони
RSSI ≥ -67 dBm
На початковому етапі до Hamina Planner було завантажено план третього
поверху. Правильний імпорт плану є важливим етапом, оскільки від масштабу
креслення та коректності геометрії залежить точність подальшого
прогнозування рівня сигналу. План використано як основу для розміщення точок
доступу, побудови зон покриття та аналізу параметрів радіомережі
.
Рисунок 4.2 – Імпорт плану третього поверху першого корпусу до Hamina
Planner
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 66
а
Після завантаження плану було сформовано просторову модель поверху.
Тривимірне представлення дає змогу наочно оцінити взаємне розташування
приміщень, коридорів та конструктивних елементів. Такий підхід є корисним для
виявлення потенційних зон затухання сигналу, оскільки стіни, перегородки та
інші перешкоди суттєво впливають на поширення радіохвиль у діапазонах 2,4
ГГц і 5 ГГц.
Рисунок 4.3 – Тривимірна модель поверху після імпорту плану
4.3.1. Налаштування мережевої та кабельної інфраструктури
Окрім радіопокриття, під час проєктування WLAN необхідно враховувати
фізичне підключення точок доступу до мережевої інфраструктури. У Hamina
Planner було сформовано параметри кабельних трас і підключень, що дозволяє
оцінити не лише зону покриття, а й практичну реалізованість розміщення
обладнання. Це особливо важливо для навчального корпусу, де точки доступу
повинні бути розташовані з урахуванням наявних комунікаційних каналів і
можливості підведення Ethernet-ліній.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 67
а
Рисунок 4.4. – Вікно деталізації кабелів і живлення точок доступу
На плані було визначено місця встановлення трьох точок доступу. Їх
розташування обрано так, щоб забезпечити рівномірне покриття коридорної
частини та суміжних аудиторій. Використання трьох точок доступу для площі
500–800 м² дозволяє уникнути надмірної концентрації обладнання та водночас
забезпечити необхідний рівень сигналу в більшості робочих зон.
Рисунок 4.5. – Розміщення точок доступу на плані поверху
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 68
а
Після визначення фізичного розміщення було сформовано перелік
мережевих об’єктів і параметрів проєкту. На цьому етапі перевіряється кількість
доданих пристроїв, їх логічна належність до мережі та основні характеристики.
Це дає змогу уникнути помилок перед побудовою теплових карт і подальшим
аналізом покриття.
Рисунок 4.6 – Перелік елементів проєкту та параметрів мережі
4.3.2. Налаштування радіомережі та параметрів SSID
Наступним етапом стало створення бездротової мережі та налаштування
параметрів SSID. Для моделювання було використано одночасну роботу
діапазонів 2,4 ГГц та 5 ГГц. Діапазон 2,4 ГГц забезпечує більшу дальність
поширення сигналу й кращу проникність крізь перешкоди, тоді як діапазон 5 ГГц
надає вищу пропускну здатність, менший рівень завад і кращу якість
обслуговування при високій щільності клієнтів.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 69
а
Рисунок 4.7. – Створення та налаштування основних параметрів
бездротової мережі
Під час налаштування радіомережі було визначено робочі параметри
каналів, ширину смуги та параметри використання частот. Такий етап є
обов’язковим, оскільки неправильно підібрані канали можуть призвести до
взаємних завад між точками доступу, зменшення ефективної пропускної
здатності та погіршення якості роумінгу користувачів між зонами
обслуговування.
Рисунок 4.8. – Налаштування параметрів радіоканалів для мережі
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 70
а
Після завершення базових налаштувань програма сформувала початкову
карту покриття. На ній візуально відображено прогнозований рівень сигналу у
межах поверху. Зелені області відповідають прийнятному рівню покриття, тоді
як жовті та червоні фрагменти вказують на зони, де рівень сигналу зменшується
через віддаленість від точки доступу або наявність конструктивних перешкод.
Рисунок 4.9. – Початкова теплова карта покриття бездротової мережі
4.3.3. Аналіз радіопокриття та рівня сигналу
Для оцінки результатів моделювання було побудовано низку теплових
карт. Вони дозволяють проаналізувати якість покриття не лише в горизонтальній
площині, а й у тривимірному вигляді. Такий аналіз зручний для виявлення
нерівномірності покриття, особливо у приміщеннях складної конфігурації.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 71
а
Рисунок 4.10. – Тривимірне представлення карти покриття
Повторний аналіз карти покриття показав, що основна частина коридорів і
навчальних приміщень знаходиться у зоні стабільного прийому. Проблемні
області переважно зосереджені на периферії плану та в окремих приміщеннях,
віддалених від точок доступу. Це є очікуваним результатом, оскільки зовнішні
межі поверху та капітальні стіни створюють додаткове затухання радіосигналу.
Рисунок 4.11 – Деталізована карта покриття за рівнем сигналу
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 72
а
Окрема карта рівня сигналу демонструє, що три точки доступу формують
взаємодоповнювальні зони обслуговування. Це забезпечує резерв покриття в
місцях перетину зон і створює передумови для стабільного переходу клієнтів між
точками доступу під час переміщення по поверху. Для навчального корпусу це
важливо, оскільки користувачі можуть змінювати своє розташування між
аудиторіями, коридорами та службовими приміщеннями.
Рисунок 4.12 – Карта рівня сигналу з урахуванням трьох точок доступу
У тривимірному режимі результати моделювання підтверджують, що
покриття охоплює основні робочі зони поверху. Зелене забарвлення більшості
площі свідчить про виконання вимоги RSSI ≥ -67 dBm. Наявність окремих зон зі
зниженим рівнем сигналу не є критичною, якщо вони не збігаються з основними
місцями перебування користувачів.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 73
а
Рисунок 4.13 – Тривимірна візуалізація достатнього рівня покриття
Для контролю правильності моделі було виконано повернення до плану
поверху без теплової карти. Це дозволило перевірити, чи коректно відображені
межі приміщень, розміщення точок доступу та загальна структура поверху. Така
перевірка є необхідною перед остаточним аналізом, оскільки помилки в
геометрії можуть впливати на всі подальші розрахунки.
Рисунок 4.14 – Контрольне відображення плану поверху без карти
покриття
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 74
а
На наступній тепловій карті було оцінено вторинні зони покриття та
потенційні ділянки із недостатнім рівнем сигналу. Найбільш виражене зниження
спостерігається в правій верхній частині плану, що може бути пов’язано з
віддаленням від центральної точки доступу та наявністю декількох перешкод на
шляху поширення сигналу.
Рисунок 4.15 – Аналіз зон зі зниженим рівнем сигналу
Після уточнення розташування точок доступу більшість площі поверху
знаходиться у зеленій зоні, що відповідає прийнятному рівню сигналу. Це
свідчить про те, що обрана кількість точок доступу є достатньою для заданої
площі, а їх розташування забезпечує належне перекриття зон покриття.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 75
а
Рисунок 4.16 – Карта покриття після уточнення розташування точок
доступу
Додаткова карта дозволяє оцінити якість покриття у більш складних
ділянках поверху. У деяких приміщеннях зберігаються локальні ділянки жовтого
та червоного кольору, однак вони не займають значної частини плану. У
практичній реалізації такі ділянки можуть бути компенсовані коригуванням
потужності передавання або незначним зміщенням точки доступу.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 76
а
Рисунок 4.17 – Додатковий аналіз нерівномірності покриття
Карта, наведена на рисунку 4.18, демонструє рівномірне покриття у зоні дії
трьох точок доступу. Візуально простежується, що сигнали точок доступу
перекриваються без надмірного дублювання. Такий баланс є важливим: надто
велике перекриття може збільшити взаємні завади, а недостатнє — призвести до
появи «мертвих зон».
Рисунок 4.18 – Рівномірність покриття при роботі трьох точок доступу
Фінальна карта покриття підтверджує виконання цільового рівня RSSI для
більшості робочих приміщень. Обрана конфігурація забезпечує достатнє
покриття коридорів, аудиторій та службових приміщень, що відповідає вимогам
до WLAN навчального призначення.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 77
а
Рисунок 4.19 – Підсумкова карта рівня сигналу RSSI
4.3.4. Аналіз обладнання, точок доступу та клієнтського покриття
Після аналізу покриття було сформовано таблиці з параметрами точок
доступу. У них наведено дані щодо встановлених AP, їх розміщення,
підключення та робочих параметрів. Такі таблиці є важливою частиною
проєктної документації, оскільки дозволяють перейти від візуального
моделювання до практичного опису мережевого обладнання.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 78
а
Рисунок 4.20 – Список точок доступу та їх параметрів у проєкті
Окремо сформовано перелік мережевого обладнання та елементів
інфраструктури. Для подальшого практичного впровадження такий перелік
може бути використаний як основа специфікації, де визначаються точки доступу,
комутаційне обладнання, кабельні лінії та додаткові елементи монтажу.
Рисунок 4.21 – Перелік обладнання бездротової мережі
На завершальному етапі було виконано аналіз клієнтського покриття. Цей
режим дозволяє оцінити, які клієнтські пристрої потенційно будуть
обслуговуватися конкретною точкою доступу. Такий підхід важливий для
перевірки навантаження, оскільки навіть за достатнього рівня сигналу одна точка
доступу може бути перевантажена великою кількістю користувачів.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 79
а
Рисунок 4.22 – Аналіз клієнтського покриття для першої зони
обслуговування
На рисунку 4.23 показано зону обслуговування іншої точки доступу.
Виділення відповідної області дозволяє оцінити, чи рівномірно розподілені
користувачі між AP. У проєктованій мережі клієнтські зони не концентруються
лише навколо однієї точки, що позитивно впливає на стабільність роботи мережі.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 80
а
Рисунок 4.23 – Аналіз клієнтського покриття для другої зони
обслуговування
Клієнтська карта дозволяє також оцінити взаємодію між зонами покриття.
Якщо пристрій знаходиться у межах дії декількох точок доступу, контролер або
клієнтський адаптер може обирати найбільш доцільне підключення за рівнем
сигналу та якістю каналу. Це створює передумови для кращого роумінгу в межах
поверху.
Рисунок 4.24 – Оцінювання взаємного перекриття клієнтських зон
На рисунку 4.25 відображено ще один приклад вибору клієнтської зони для
точки доступу. Такий аналіз корисний для перевірки, чи не виникають області з
надмірним навантаженням. За потреби в реальній мережі можуть бути
використані механізми балансування клієнтів між точками доступу.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 81
а
Рисунок 4.25 – Клієнтське покриття для додаткової зони мережі
Підсумкова перевірка клієнтських зон показує, що три точки доступу
забезпечують логічний розподіл користувачів по площі поверху. Це дозволяє
очікувати стабільну роботу мережі за умов навчального навантаження, коли
користувачі розташовані нерівномірно у різних аудиторіях.
Рисунок 4.26 – Підсумковий аналіз клієнтського покриття
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 82
а
Далі було сформовано результати кабельного планування. У таблиці
вказуються орієнтовні параметри кабельних трас, підключення точок доступу та
пов’язані з ними елементи інфраструктури. Це дозволяє перейти від
радіопланування до комплексного проєкту мережі, який враховує як бездротову,
так і дротову складову.
Рисунок 4.27 – Результати планування кабельної інфраструктури
Завершальним етапом стало формування зведеного переліку матеріалів та
обладнання. Такий звіт є корисним для підготовки кошторису та подальшого
впровадження мережі. Він дозволяє узагальнити результати моделювання і
представити їх у вигляді, придатному для технічної документації.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 83
а
Рисунок 4.28 – Зведений перелік обладнання та матеріалів проєкту
За результатами виконаного моделювання встановлено, що доцільним є
використання трьох точок доступу TP-Link EAP225. Обрана кількість
обладнання забезпечує достатнє покриття більшості навчальних і службових
приміщень за умови цільового рівня сигналу RSSI ≥ -67 dBm.
Використання одночасно двох частотних діапазонів — 2,4 ГГц та 5 ГГц —
дозволяє поєднати переваги обох рішень: більшу дальність і проникність сигналу
в діапазоні 2,4 ГГц та вищу пропускну здатність у діапазоні 5 ГГц. Для
навчального корпусу така конфігурація є доцільною, оскільки забезпечує
гнучкість підключення різних типів клієнтських пристроїв.
Аналіз теплових карт показав, що основні робочі зони поверху знаходяться
в межах стабільного покриття. Окремі ділянки зі зниженим рівнем сигналу
спостерігаються переважно на периферії плану та в приміщеннях, відокремлених
конструктивними перешкодами. У разі практичного впровадження мережі такі
ділянки можуть бути додатково перевірені шляхом натурного радіообстеження.
Слід зазначити, що TP-Link EAP225 є доступною точкою доступу для
навчального моделювання та демонстрації принципів побудови WLAN. При
цьому загальна методика проєктування, кількість зон покриття та логіка
розміщення точок доступу залишаються актуальними.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 84
а
Таким чином, виконане моделювання підтвердило можливість побудови
ефективної бездротової мережі для навчального поверху з використанням трьох
точок доступу та централізованого підходу до планування. Отримані результати
можуть бути використані як основа для подальшої модернізації бездротової
інфраструктури університету та підготовки практичного проєкту впровадження
WLAN.
4.4. Розрахунок параметрів радіопокриття бездротової мережі
У даному підрозділі наведено інженерні розрахунки, які доповнюють
результати моделювання бездротової мережі у середовищі Hamina Planner. У
роботі передбачено використання трьох точок доступу TP-Link EAP225, роботу
мережі у частотних діапазонах 2,4 ГГц та 5 ГГц, а також цільовий рівень
прийнятого сигналу не нижче RSSI = -67 dBm.
4.4.1. Вихідні дані для розрахунку
Для проведення розрахунків прийнято типові параметри точки доступу та
клієнтського пристрою. Оскільки фактичний рівень сигналу в приміщенні
залежить від матеріалів стін, розташування меблів, висоти монтажу точки
доступу та радіочастотної ситуації, подані значення слід розглядати як
інженерну оцінку, яка використовується для перевірки результатів програмного
моделювання.
Параметр Прийняте значення Пояснення
Згідно з виконаним
Кількість точок доступу 3 шт.
моделюванням поверху
Орієнтовна площа
Площа поверху 500–800 м²
третього поверху
Вимога для стабільної
Пороговий рівень
RSSI ≥ -67 dBm роботи навчальних
сигналу
сервісів
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 85
а
Розрахункове значення
Потужність передавача
20 dBm для внутрішнього
AP
WLAN
Підсилення антени 2,4 Прийнято для оцінки
4 dBi
ГГц бюджету радіолінії
Підсилення антени 5 Прийнято для оцінки
5 dBi
ГГц бюджету радіолінії
Підсилення антени Типове значення для
0 dBi
клієнта смартфона або ноутбука
Втрати через орієнтацію
Додаткові втрати 2 dB антен, корпус пристрою
та інші фактори
Умовне значення для
Рівень шуму -92 dBm
оцінки SNR
4.4.2. Розрахунок бюджету радіолінії
Бюджет радіолінії дозволяє визначити очікуваний рівень прийнятого
сигналу на стороні клієнтського пристрою. Загальна формула розрахунку має
вигляд:
P_r = P_t + G_t + G_r - L_FSPL - L_wall - L_misc
де P_r — рівень прийнятого сигналу, dBm; P_t — потужність передавача
точки доступу, dBm; G_t — підсилення антени точки доступу, dBi; G_r —
підсилення антени клієнтського пристрою, dBi; L_FSPL — втрати у вільному
просторі, dB; L_wall — втрати у будівельних конструкціях, dB; L_misc —
додаткові втрати, dB.
4.4.3. Розрахунок втрат у вільному просторі
Для оцінки втрат поширення сигналу використано модель Free Space Path
Loss (FSPL). Вона описує ідеальний випадок поширення радіохвилі без
перешкод, а тому є базовою для подальшого врахування втрат у стінах та
перегородках.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 86
а
L_FSPL = 32,44 + 20log10(f) + 20log10(d)
де f — частота сигналу, МГц; d — відстань між точкою доступу та
клієнтом, км. Розрахунок виконано для частот 2400 МГц та 5000 МГц.
FSPL 2,4 ГГц,
Відстань, м FSPL 5 ГГц, dB Різниця, dB
dB
5 54,0 60,4 6,4
10 60,0 66,4 6,4
15 63,6 69,9 6,4
20 66,1 72,4 6,4
25 68,0 74,4 6,4
30 69,6 76,0 6,4
З таблиці видно, що за однакової відстані сигнал у діапазоні 5 ГГц має
приблизно на 6,4 dB більші втрати порівняно з діапазоном 2,4 ГГц. Це пояснює
менший радіус покриття 5 ГГц, але саме цей діапазон забезпечує вищу швидкість
передавання даних і менший рівень завад у навчальному середовищі.
4.4.4. Оцінка RSSI без урахування стін
На першому етапі розраховано рівень сигналу без урахування
будівельних перешкод. Цей розрахунок відповідає умовам прямої видимості
або поширення сигналу вздовж коридору.
RSSI 2,4 ГГц, SNR 2,4 ГГц, RSSI 5 ГГц, SNR 5 ГГц,
Відстань, м
dBm dB dBm dB
5 -32,0 60,0 -37,4 54,6
10 -38,0 54,0 -43,4 48,6
15 -41,6 50,4 -46,9 45,1
20 -44,1 47,9 -49,4 42,6
25 -46,0 46,0 -51,4 40,6
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 87
а
30 -47,6 44,4 -53,0 39,0
Отримані значення показують, що за відсутності значних перешкод обидва
діапазони забезпечують рівень сигналу, вищий за прийнятий поріг -67 dBm, на
відстанях до 25–30 м. Однак у реальних умовах навчального корпусу необхідно
врахувати додаткове затухання через внутрішні перегородки та несучі стіни.
4.4.5. Розрахунок втрат у будівельних конструкціях
Під час поширення радіосигналу в приміщенні основний вплив на якість
зв'язку мають будівельні конструкції. Для інженерної оцінки прийнято типові
значення втрат, наведені в таблиці. Ці значення використовуються як поправки
до втрат у вільному просторі.
Тип перешкоди Орієнтовні втрати, dB Коментар
Незначне послаблення
Дерев'яні або легкі двері 2–3
сигналу
Гіпсокартонна Типова внутрішня
3–5
перегородка перегородка
Суттєво впливає на 5
Цегляна стіна 7–10
ГГц
Може формувати зони
Бетонна або несуча стіна 12–18
слабкого покриття
Металеві конструкції Сильне екранування
15–25
або шафи сигналу
Проведені розрахунки підтверджують доцільність використання трьох
точок доступу для покриття третього поверху першого корпусу університету.
Розрахунок бюджету радіолінії показав, що за умов прямої видимості або
поширення сигналу через легкі перегородки рівень RSSI перевищує прийнятий
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 88
а
поріг -67 dBm. У складніших умовах, коли сигнал проходить через дві цегляні
або одну бетонну стіну, рівень сигналу у діапазоні 5 ГГц може наближатися до
граничного значення. Саме тому розміщення точок доступу має виконуватися з
урахуванням планування аудиторій, коридорів та несучих конструкцій.
Порівняння діапазонів 2,4 ГГц і 5 ГГц показало, що 5 ГГц має більші втрати
поширення, але забезпечує вищу пропускну здатність і менший рівень завад.
Діапазон 2,4 ГГц має кращу проникність через перешкоди, однак є більш
завантаженим. Тому використання обох діапазонів у проєкті є технічно
обґрунтованим: 5 ГГц забезпечує основний швидкісний доступ, а 2,4 ГГц
підвищує стійкість покриття в складних зонах.
Таким чином, розрахунки бюджету радіолінії, втрат у вільному просторі та
затухання у будівельних конструкціях підтверджують результати моделювання,
отримані в Hamina Planner. Запропонована конфігурація мережі може бути
використана як основа для подальшого практичного розгортання або
модернізації бездротової інфраструктури навчального корпусу.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 89
а
5 ОХОРОНА ПРАЦІ
5.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на
дослідника при роботі в проектно-технічній лабораторії
В даній бакалаврській роботі проводиться розробка телекомунікаційної
мережі. При проведенні проектних робіт з розробки подібних систем необхідно
опрацювати значну кількість теоретичного матеріалу, розробити необхідну
документацію та провести необхідні розрахунки. Виконання цих робіт можливе
лише при застосуванні сучасної комп’ютерної техніки. Тому виникає потреба в
забезпеченні безпечної та продуктивної організації праці проектувальника при
роботі за комп’ютером.
За рівнем фізичного навантаження таку роботу необхідно віднести до
категорії І а, тобто робота яка виконується сидячі та не потребує фізичного
навантаження.
Проектування мережі проводиться в приміщенні, яке має наступні
геометричні розміри: довжина – 12 м, ширина – 5,5 м, висота стелі – 3,2 м.
Відповідно площа всього приміщення складає 66 м2, а об’єм становить 211,2 м3.
Оскільки в лабораторії працює п’ять співробітників, то на одного працюючого
припадає 13,2 м2, що відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010 та НПАОП 0.00-
7.15-18, відповідно до яких площа, яка припадає на одне робоче місце, яке
обладнане ПК, повинна складати не менше 6 м2, а об’єм - не меншим ніж 20 м3.
Суттєвий вплив на стан організму працівника, його працездатність
здійснює мікроклімат (метеорологічні умови) у робочих приміщеннях, під яким
розуміють умови внутрішнього середовища цих приміщень, що впливають на
тепловий обмін працюючих з оточенням. Ці умови визначаються поєднанням
температури, відносної вологості та швидкості руху повітря, температури
поверхонь, що оточують людину та інтенсивності теплового (інфрачервоного)
опромінення.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 90
а
Можливості організму пристосовуватись до метеорологічних умов значні,
однак не безмежні. Верхньою межею терморегуляції людини, що знаходиться у
стані спокою, прийнято вважати 30-31 °С при відносній вологості 85% чи 40 °С
при відносній вологості 30%. При виконанні фізичної роботи ця межа значно
нижча.
Отже, для нормального теплового самопочуття людини важливо, щоб
температура, відносна вологість і швидкість руху повітря знаходились у певному
співвідношенні.
Згідно ДСН 3.3.6.042-99 «Повітря робочої зони», що регламентує
параметри мікроклімату виробничих приміщень, нормативні значення основних
факторів мікроклімату наступні:
1. Температура повітря: в холодний період року – 22 - 24 °С (допустима –
21 - 25 °С); в теплий період року – 23 - 25 °С (допустима – 22 - 28 °С).
2. Вологість повітря: в холодний період року – 40 - 60 %; в теплий період
року – 40 -60 %.
3. Швидкість руху повітря: в холодний період року – 0,1 м/с (допустима –
не більша ніж 0,1 м/с); в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1...0,2 м/с).
Фактичні значення параметрів мікроклімату становлять:
1. Температура повітря: в холодний період року – 16-17 °С; в теплий період
року – 23-24 °С.
2. Вологість повітря: в холодний період року – 45-47 %; в теплий період
року – 50-52 %.
3. Швидкість руху повітря: в холодний період року – 0,06-0,1 м/с; в теплий
період року – 0,05-0,1 м/с.
З наведених даних видно, що фактичне значення вологості повітря та
швидкості руху повітря відповідають нормативним значенням параметрів.
Значення температури повітря в холодний період року є нижчим за нормативне
значення, отже, необхідно провести модернізацію системи опалення у даному
приміщенні.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 91
а
Шум також являється одним з важливих факторів виробничого
середовища, який може негативно впливати на працівника. Шум може
послаблювати увагу, посилювати розвиток втоми, сповільнює реакцію людини
на небезпеку. Внаслідок цього знижується працездатність та підвищується
ймовірність нещасних випадків.
В даному приміщенні головним джерелом шуму є вентилятор
охолодження джерела живлення системного блоку. Шум, який видає системний
блок не перевищує нормативне значення еквівалентного рівня шуму, яке згідно
вимог ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми рівнів шуму на робочих місцях»
становить 50 дБА.
Можливість людини орієнтуватися у просторі, здійснювати фізіологічні
функції, виконувати різні види робіт залежить від виду і якості освітлення
навколишнього середовища.
До освітлення ставляться певні гігієнічні вимоги. Освітлення повинно бути
рівномірним і достатнім для швидкого й легкого розрізнення об’єктів,
забезпечувати деяку контрастність між об’єктом і фоном. Джерело світла не
повинно засліплювати людину і створювати відблиски на об’єкті, що
розглядається.
Раціональне освітлення робочих місць і приміщень створює у працівників
певний психологічний тонус, попереджує зорову і загальну втому, сприяє
високопродуктивній праці. Недостатня освітленість робочих місць може бути
непрямою причиною нещасних випадків на виробництві.
Робоче приміщення згідно з нормами проектування ДБН В.2.5-28-2018
«Природне та штучне освітлення» має природне та штучне освітлення. Природне
освітлення приміщення здійснюється через п’ять вікон, які зорієнтовані на захід.
Розміри кожного вікна складають 1,23 м. Робоче місце розташоване таким
чином, що усі вікна знаходяться перед робочим місцем працюючого. За рахунок
цього забезпечене мінімальне потрапляння прямих сонячних промінів на екран
монітора, які б спричиняли би відбиття світла від екрану. При цьому у полі зору
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 92
а
працюючого забезпечується оптимальне співвідношення яскравості робочих та
навколишніх поверхонь.
Під час роботи працівник в більшості випадків працює з даними, які
виводяться програмним забезпеченням (з розрахунками на екрані монітора).
Тобто найменшим об’єктом розрізнення виступає “крапка” на екрані монітора
(в текстових редакторах та математичних прикладних програмах це текст
чорного кольору на білому фоні). Найменший об’єкт розрізнення – 0,25 мм, що
відповідає дуже високому ступеню точності зорової праці. Розряд зорової праці
– II, підрозряд – Г. Контраст об’єкту розрізнення з фоном - великий. Для даного
типу зорової праці нормативне значення КПО згідно норм освітлення
ДБН В.2.5-28-2018 дорівнює 1,8%. Робоче місце розташовано на відстані 2 м від
вікна і в цій точці значення КПО складає 35-37%, що задовольняє нормам. Тому
рівень природного освітлення можна вважати достатнім.
Для темного часу доби в приміщенні передбачене штучне освітлення.
Штучне освітлення також передбачається у всіх виробничих та побутових
приміщеннях, якщо недостатньо природного світла. При організації штучного
освітлення необхідно забезпечити сприятливі гігієнічні умови для зорової
роботи і одночасно враховувати економічні показники. При штучному
освітленні нормується величина освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в
залежності від характеристик зорової праці з урахуванням найменшого розміру
об'єкта розрізнення, фону, контрасту об'єкта розрізнення з фоном.
Приміщення обладнане дванадцятьма світильниками денного світла типу
ЛСП02-2х58-001, які розташовані симетрично та рівновіддалено від стін.
Відповідно до ДБН В.2.5-28-2018 для даного типу зорової праці необхідна
величина штучного загального освітлення складає 400 лк. Фактичне значення
даного параметра становить 420-430 Лк. Отже, рівень штучного освітлення на
робочому місці є достатнім.
Головним джерелом електромагнітного випромінювання в приміщенні є
монітор та системний блок. Рівні електромагнітного випромінювання на
робочому місці повністю відповідають вимогам ДСН 3.3.6.096-2002.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 93
а
Для живлення обладнання застосовується електромережа змінного струму
напругою 230 В. Електропроводка мережі прихованого типу та виконана мідним
дротом ВВГнг 3х2.5 мм2. Таке виконання проводки запобігає виникненню та
поширенню пожежі внаслідок можливого короткого замкнення в проводці, та
можливому ураженню працівника струмом. Обладнання, а саме системні блоки
та монітори, встановлене в кабінеті, живиться напругою 220В і споживає
потужність менше ніж 3,5 кВт. Оскільки ПК та має металевий корпус, то згідно
ДСТУ Б В.2.5-82:2016 в приміщенні передбачена магістраль захисного
заземлення, яка забезпечує захист людини від ураження електричним струмом.
За категорією пожежонебезпеки згідно ДСТУ Б.В.1.1-36:2016, дане
приміщення відноситься до типу В (горючі та важкогорючі рідини, тверді горючі
та важкогорючі речовини і матеріали, речовини та матеріали, здатні при
взаємодії з водою, киснем повітря або одне з одним лише горіти, за умови, що
приміщення, в яких вони знаходяться не належать до категорій А чи Б). Стіни
приміщення виготовлені з цегли, оштукатурені та пофарбовані водоемульсійною
фарбою. Стеля виготовлена методом перекриття приміщення залізобетонними
плитами, а підлога з кахельної плитки. Всі матеріали застосовані для будівництва
приміщення повністю дозволені для оздоблення приміщень органами
державного санітарно-епідеміологічного нагляду.
Приміщення оснащено системою автоматичної пожежної сигналізації
відповідно до вимог ДБН В.2.5-56-2014. Також в приміщенні знаходиться три
переносних порошкових вогнегасника ВП-5, які використовуються для гасіння
легкозаймистих та горючих рідин, твердих горючих речовин та матеріалів,
електропроводок, що знаходяться під напругою до 1000 В, що відповідає
Правилам експлуатації та типовим нормам належності вогнегасників.
Для забезпечення проведення швидкої та організованої евакуації
персоналу на випадок виникнення пожежі в будівлі передбачений план евакуації,
розміщений на стіні з вільним доступом до нього.
На працездатність дослідника окрім зовнішніх факторів виробничого
середовища також впливає безпосередня організація робочого місця. Отже,
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 94
а
робочий стіл має такі розміри: висота – 710 мм, ширина – 510 мм, довжина – 1100
мм. Відповідно стілець має такі розміри: висота – 400 мм, ширина – 400 мм.
Відстань від екрана до ока складає 700 мм при розмірі екрану по діагоналі 24", а
клавіатура розміщена на поверхні столу на відстані 200 мм від працюючого.
Отже, організація робочого місця повністю задовольняє ергономічним вимогам
ДСТУ 8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання робіт у
положенні сидячи. Загальні ергономічні вимоги».
З працівниками лабораторії проводиться вступний та первинний
інструктаж з питань охорони праці та інструктаж з техніки електробезпеки
складений враховуючи ДСТУ Б В.2.5-82:2016.
Важливим фактором для підвищення продуктивності праці та запобіганню
виснаження організму являється правильна організація її режиму. Отже, при
організації праці, яка пов’язана з роботою за комп’ютером та іншими приладами,
для збереження здоров’я працюючого, запобігання виникненню професійних
захворювань та підтримки працездатності на належному рівні повинні бути
передбаченні перерви для відпочинку.
Установа за свої кошти організовує проведення попереднього (при
прийнятті на роботу) і періодичних (протягом трудової діяльності) медичних
оглядів працівників, зайнятих на важких роботах, роботах із шкідливими чи
небезпечними умовами праці або таких, де є потреба у професійному відборі, а
також щорічного обов'язкового медичного огляду осіб віком до 21 року,
відповідно «Положення про медичний огляд працівників певних категорій»
НАОП 0.03-4.02-94 та Наказу МОЗ України №245 від 21.05.2007.
З усіма працівниками перед допуском до роботи проводять вступний та
первинний інструктажі згідно типового положення про навчання з питань
охорони праці (ДНАОП 0.00-4.12-05). Допуск до роботи відбувається після
проведення перевірки знань із вступного та первинного інструктажів. Перевірка
здійснюється згідно затвердженого переліку запитань.
Вступний інструктаж з питань охорони праці проводиться з усіма
працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову)
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 95
а
незалежно від їх освіти, стажу роботи за цією професією або посади. Первинний
інструктаж проводиться з працівниками та студентами на робочому місці до
початку роботи. Запис про проведення вступного інструктажу робиться у
спеціальному журналі.
Повторний інструктаж проводиться на робочому місці з усіма
працівниками та студентами: на роботах з підвищеною небезпекою – 1 раз у
квартал, на інших роботах – 1 раз на півріччя.
Отже, після проведення детального аналізу приміщення та безпосередньо
робочого місця можна зробити висновок, що всі фактори виробничого
середовища, окрім температури приміщення в холодний період року,
відповідають своїм нормативним значенням. Тому необхідно провести
модернізацію системи централізованого водяного опалення, щоб забезпечити
відповідність значення температури повітря в холодний період року
нормативному значенням цього параметра, а саме на рівні 20-22 °С.
5.2 Модернізація системи водяного опалення лабораторії
Системи опалення являють собою комплекс елементів, необхідних для
нагрівання приміщень в холодний період року. До основних елементів системи
опалення належать: джерела тепла, теплопроводи та нагрівальні прилади.
Теплоносіями можуть бути нагріта вода, пара чи повітря. Системи опалення
повинні компенсувати втрати тепла через огороджуючі зовнішні будівельні
конструкції та підігрівати холодне повітря, яке надходить ззовні через вікна,
двері, ворота та ін. Для підприємств та організацій проектується, як правило,
центральна водяна система опалення низького тиску або система повітряного
опалення. При проектуванні системи опалення необхідно визначити категорію
вибухопожежної небезпеки виробництва; внутрішню температуру повітря в
приміщенні, залежно від категорії роботи (легка, середньої важкості, важка);
розрахункову зовнішню температуру повітря для даного кліматичного району;
орієнтовні втрати тепла будинком; тепловиділення від людей, електродвигунів,
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 96
а
нагрітих поверхонь котлів, сушильних установок, світильників, та іншого
обладнання; необхідну систему опалення, вид теплоносія, тип опалювальних
приладів; кількість тепла на опалення приміщень; поверхню нагрівальних
приладів; кількість елементів секцій в одному нагрівальному приладі, загальну
кількість секцій; годинні витрати води (повітря) на опалення; необхідну
поверхню нагріву.
Основною метою системи опалення є створення комфортної температури
у приміщенні, де перебуває та працює людина. Система опалення повинна
підтримувати температуру повітря в приміщенні на рівні від 20 до 22°C . В
залежності від того який теплоносій використовується в опалювальній системі,
вона може поділятися на декілька типів: водяна, парова, низького тиску,
високого тиску. Водяна та парова системи опалення в залежності від тиску пари
чи температури води можуть бути низького тиску (тиск пари до 70 кПа чи
температура води до 100 °С), та високого тиску (тиск пари більше 70 кПа чи
температура води понад 100 °С).
Найчастіше використовується водяне опалення низького тиску, яке має ряд
переваг в порівнянні з паровим опаленням та відповідає основним санітарно-
гігієнічним вимогам. До основних переваг цієї системи можна віднести
рівномірне нагрівання приміщення; можливість централізованого регулювання
температури води; підтримання відносної вологості повітря в приміщенні на
відповідному рівні; виключення можливості опіків від нагрівальних приладів;
високий рівень пожежної безпеки. Основний недолік системи водяного опалення
– можливість її замерзання при аварійному відключенні в зимовий період, а
також повільне нагрівання великих приміщень після тривалої перерви в
опаленні.
Парове опалення має низку санітарно-гігієнічних недоліків, тому
застосовується рідко. Зокрема, внаслідок перегрівання повітря знижується його
відносна вологість, а органічний пил, що осідає на нагрівальних приладах,
підгоряє і створює запах гару. Окрім того, існує небезпека пожеж та опіків.
Враховуючи вищевказані недоліки не допускається застосування парового
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 97
а
опалення в пожежонебезпечних приміщеннях та приміщеннях зі значним
виділенням пилу.
До опалювальних приладів висувають ряд вимог, за якими їх кла-
сифікують, аналізують ступінь досконалості та проводять порівняння.
Опалювальні прилади повинні мати за можливістю більш низьку
температуру корпуса для забезпечення непригорання пилу та неможливості
опіків при доторканні до корпусу, зменшення нейтралізації нестійких іонів з
негативним зарядом, зниження швидкості руху повітря і відповідно швидкості
руху пиловидних частинок; мати найменшу площу для зменшення відкладання
пилу; мати вільний доступ для видалення пилу з корпусу та з огороджуючих
конструкцій за ним.
Опалювальні прилади повинні мати найменші приведені витрати на
виготовлення, монтаж та експлуатацію. Найменшу витрату металу, найменшу
питому вартість, віднесену до 1 м2 площі поверхні або до 1 кВт теплового потоку.
Зовнішній вигляд (форма, розміри, фарбування) опалювальних приладів
повинен відповідати інтер'єру приміщення, а їх об'єм, віднесений до одиниці
теплового потоку, бути якнайменшим.
Повинна забезпечуватись максимальна механізація робіт при виробництві
та монтажу опалювальних приладів. Опалювальні прилади повинні мати
достатню механічну міцність.
Опалювальні прилади повинні пропорційно реагувати на автоматичну
керованість їх тепловіддачею; забезпечувати пріоритет теплоти у приміщенні;
бути довговічними, температуростійкими. Опалювальні прилади повинні
забезпечити найбільшу щільність питомого теплового потоку, віднесену на
одиницю площі. Опалювальні прилади можуть мати додаткове обладнання для
задоволення потреб споживача – дзеркала, вішалки, зволожувачі повітря тощо.
За переважним видом тепловіддачі всі опалювальні прилади розділяють на
три групи, а саме: радіаційні, що передають випромінюванням не менше 50%
сумарного теплового потоку (до них відносять сталеві бетонні опалювальні
панелі та випромінювачі); конвентивно-радіаційні, що передають конвекцією від
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 98
а
50% до 75% сумарного теплового потоку (в цю групу включають секційні та
панельні радіатори, підлогові та стінові опалювальні панелі, гладкотрубні
опалювальні прилади); конвективні, передають конвекцією понад 75%
загального теплового потоку (до цієї групи відносять конвектори та ребристі
труби).
За матеріалом опалювальні прилади розділяють на металеві (чавунні,
сталеві, алюмінієві, мідні тощо), біметалеві (сталево-алюмінієві, мідно-
алюмінієві), неметалеві (керамічні, пластмасово-бетонні) та комбіновані
(металево-керамічні, металево-бетонні тощо).
Чавунні секційні батареї – теплові прилади, які відносяться до застарілих
систем опалення. Мають малу поверхню віддачі тепла й низьку теплопровідність
металу, роблять нагрівання в основному випромінюванням і близько 20% тепла
передають повітрю конвекцією. Рух теплоносія в системі відбувається
гравітаційним шляхом, що сильно сповільнює передачу тепла. Для збільшення
конвекційної віддачі тепла чавунними радіаторами, їх рекомендують розміщати
тільки під вікнами, щоб холодне повітря, що опускається з поверхні скла,
примусово проходило через радіатор.
Панельні сталеві батареї являють собою дві сталеві пластини, між якими
циркулює теплоносій. Пластини мають товщину 1,2 мм, з'єднані між собою
точковим електрозварюванням, містять виштампувані канали, по яких протікає
вода. Панель розмірами за звичайний чавунний радіатор має товщину 30 мм, але
вдвічі меншу тепловіддачу. Для підвищення теплової потужності ставлять
паралельно дві, навіть три панелі. При двох або трьох панелях радіатор передає
тепло випромінюванням тільки зовнішніми площинами, тому до всіх внутрішніх
площин радіатор приварюють ряди П-подібних пластин, які значно збільшують
поверхню тепловіддачі, тобто внутрішні площини працюють як конвектор.
Основний недолік такий же, як й в алюмінієвих радіаторах – прискорена корозія.
Алюмінієві секційні батареї, більш досконала конструкція, у якій
застосований матеріал з великим коефіцієнтом теплопередачі у вигляді
алюмінієвого сплаву. Секції алюмінієвого радіатора мають глибину всього 80-
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 99
а
110 мм. Алюмінієві секційні радіатори більше половини тепла віддають
випромінюванням, іншу половину – конвекцією. Деякі типи алюмінієвих
радіаторів можуть мати сильно розвинену поверхню у вигляді додаткових
тонких ребер, розміщених усередині секції, при цьому зростає площа нагрівання
однієї секції. Теплова потужність однієї секції декларується виготовлювачами до
180 ватів. Завдяки зменшеному обсягу води в секціях алюмінієві радіатори добре
піддаються регулюванню за допомогою термозапірних клапанів і термочуттєвих
головок. Теплорегулюючі елементи, якими необхідно постачати всі алюмінієві
радіатори, дозволяють обмежувати протік гарячої води через радіатор при
досягненні заданої температури в кімнаті. Основний і самий великий недолік –
схильність до електрохімічної корозії.
Біметалеві радіатори виконуються з двох різних металів, зазвичай
використовують алюміній і сталь. В основі роботи біметалевих радіаторів
лежить відомий принцип конвекції, що надає системі опалення надзвичайну
ефективність при використанні в будь-якому приміщенні. Алюмінієм
забезпечується теплий потік, а серцевина, виконана зі сталі, забезпечує подачу
гарячої води і нагріванням всього корпусу. Спочатку біметалеві радіатори
створювалися для установки в багатоповерхових висотках, але в даний час з
успіхом використовуються і в малоповерховому будівництві.
Основні характеристики біметалевих радіаторів:
- міцність;
- довговічність (до 20 років);
- сучасний дизайн в поєднанні з високим рівнем тепловіддачі;
- ціна на 15 - 20% вище, ніж у радіаторів з алюмінію;
- біметалеві радіатори мають більший гідравлічний опір, ніж сталеві.
Системи опалення, де застосовуються біметалеві радіатори, вимагають
більше енергії на перекачування теплоносія. Серед головних переваг
біметалевих радіаторів підвищена стійкість до впливу агресивного теплоносія і
високого робочого тиску. Підвищений рівень хімічної стійкості досягається
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 100
а
застосуванням сталі в конструкції, і саме вона контактує з теплоносієм, а не
алюміній.
Завдяки застосуванню стали при створенні вертикального колектора
радіатора вдається досягти збільшення робочого тиску. Зрозуміло, в системі
реальний тиск вкрай рідко піднімається вище 15 атм., але біметалеві радіатори
володіють більшою стійкістю до гідравлічних ударів, чим забезпечується
додаткова їх надійність.
Завдяки наявності сталевої складової радіатор-біметал може витримувати
високий тиск води, що поступає. Також сталева начинка нечутлива до загального
сливу і до забруднень в системі. Саме тому це призвело до широкого поширення
біметалевих радіаторів для оснащення систем опалення в сучасних
багатоповерхових будівлях.
В біметалевих радіаторах алюміній часто використовується, як
декоративний матеріал і легко знаходить потрібну форму і зовнішній вигляд, що
дозволяє задіяти біметалеві радіатори для монтажу опалювальної системи в
найдорожчих і престижних інтер'єрах. Такі радіатори є чудовим бюджетним
вибором для міських умов, де велике значення мають не тільки сучасний дизайн,
але і надійність, і економічність.
Біметалеві радіатори не вимагають спеціальної підготовки води
(очищення, зниження кислотності, лужності), на відміну від алюмінієвих
радіаторів. Радіатори мають корпус без гострих кутів, температура на поверхні в
2 рази нижче, ніж усередині. При роботі радіатор створює ефект повітряного
теплового вентилятора й дуже добре перемішує шари повітря в приміщенні.
В приміщенні застосовується схема периметральної двотрубної тупикової
вітки системи опалення з рухом теплоносія в середині системи за схемою
“зверху-донизу”. Кількість тепла, що втрачається будівельною конструкцією QK
залежить від різниці температур, величини їх значень, площі та виду матеріалу
та може бути підрахована для плоских поверхонь за формулою:
Q = k F (t − t )
K k вн зовн (5.1)
де: k – коефіцієнт теплопередачі конструкції огорожі (стін),
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 101
а
k=0,97 ккал/год;
Fк – поверхня огороджувальної конструкції; F =38,4 м2
к .
tвн – розрахункова температура повітря в приміщенні, t = 22 °C;
tзовн – розрахункова температура зовнішнього повітря (приймається за
кліматичними даними для даного міста), t = -20 °C.
QK = k Fk (tвн − t зовн ) = 0,97 38,4 (22 − (−20)) =1564,4
ккал / год.
Відносні витрати води розраховуються за формулою:
7,98 (t −10)
q =
T L
прил (5.2)
де: t – різниця температур між середньою температурою теплоносія в
нагрівальному приладі та температурою в приміщенні, °С;
Tприл – перепад температур теплоносія в нагрівальному приладі, °С;
L – кількість води, що подається зверху донизу, L=21,3 кг/м2 год;
Температурний перепад в даній системі складає 85 – 50 °C.
85 + 50
7,98 (( − 22) −10)
7,98 (t −10)
q = = 2 291,27
= = 0,39
Tприл L (85 − 50) 21,3 746,8
ккал/год
Значення е. к. м. можна порахувати за формулою:
q = 7,98 (t −10) ,
е.к.м. (5.3)
де: α – поправочний коефіцієнт, що залежить від відносної витрати води,
який дорівнює =0,89.
85+ 50
qе.к.м. = 7,98 (t −10) = 7,98 (( − 22) −10) 0,89 = 252
2 ккал/год
Необхідну поверхню приладів е. к. м. Fпр можна визначити за формулою:
Qк 1564,4
F 2
прил. = = = 6,208м .
qе.к.м. 252
Необхідна кількість секцій радіаторів визначається за формулою:
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 102
а
Fприл
n = ,
f
е.к.м. (5.4)
де fе.к.м - площа однієї секції даного типу радіаторів, fе.к.м = 0,21 м2
Fприл 6,208
n = = = 29,56
fе.к.м. 0,21
Отже в даному приміщенні необхідно встановити 3 радіатори, які
складаються з 10-ти секцій кожен. Серед широкого різноманіття радіаторів
обираємо біметалевий радіатор Evro-termo HD-500D7-2 500/96.
Біметалеві радіатори Evro-termo мають наступні переваги:
- тривалий термін експлуатації (до 30 років);
- високу антикорозійну стійкість;
- відсутність вимог до якості теплоносія;
- можливість застосування в багатоповерхових будівлях, оскільки
розраховані на високий тиск;
- завдяки великому діаметру прохідного отвору і невеликого гідравлічного
опору вони добре підходять для використання в системах опалення з
природною циркуляцією;
- можливість будь-яких варіантів комплектації: кількість секцій, діаметр
прохідного отвору, міжосьова відстань.
Рисунок 5.1 – Радіатор біметалевий Evro-termo HD-500D7-2 500/96
Характеристика біметалевого радіатора Evro-termo HD-500D7-2 500/96:
Висота секції - 560 мм;
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 103
а
Ширина секції - 80 мм;
Глибина секції - 95 мм;
Міжосьова відстань - 500 мм;
Робочий тиск - 1,6 МПа;
Критичний тиск - 1,8 МПа;
Тепловий потік секції - 170 Вт;
Вага секції - 1,7 кг;
Літраж - 0,22 л/секцію.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 104
а
ВИСНОВКИ
У результаті виконання дипломної квалівікаціної роботи було досліджено
особливості побудови сучасних бездротових локальних мереж на основі
стандарту IEEE 802.11ax та проведено проєктування бездротової мережі для
третього поверху першого корпусу університету.
У теоретичній частині роботи було проаналізовано етапи розвитку
технологій бездротового доступу сімейства IEEE 802.11, розглянуто основні
характеристики стандарту Wi-Fi 6, а також визначено його переваги порівняно з
попередніми поколіннями бездротових мереж. Встановлено, що застосування
технологій OFDMA, MU-MIMO, дозволяє підвищити ефективність
використання радіочастотного спектра, збільшити пропускну здатність мережі
та покращити якість обслуговування користувачів у середовищах з високою
щільністю підключень.
У ході дослідження було виконано аналіз програмних засобів для
проєктування бездротових мереж та обґрунтовано вибір програмного комплексу
Hamina Planner. Визначено, що даний програмний продукт забезпечує
можливість створення цифрової моделі приміщення, прогнозування поширення
радіосигналу, аналізу зон покриття та оцінювання якості роботи бездротової
мережі ще на етапі проєктування.
Практична частина роботи була присвячена розробці та моделюванню
бездротової мережі третього поверху першого корпусу університету. На основі
плану поверху було створено цифрову модель приміщення та виконано
розміщення точок доступу з урахуванням особливостей планування будівлі. Для
забезпечення необхідного рівня покриття було використано три точки доступу
TP-Link EAP225, які працюють у частотних діапазонах 2,4 ГГц та 5 ГГц.
За допомогою засобів Hamina Planner проведено аналіз рівня покриття,
побудовано карти розповсюдження сигналу та визначено зони обслуговування
користувачів. Результати моделювання показали, що на більшій частині
досліджуваної площі забезпечується рівень сигналу не нижче за встановлений
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 105
а
поріг RSSI ≥ –67 dBm, що відповідає вимогам до сучасних навчальних мереж та
забезпечує стабільну роботу вебзастосунків, систем дистанційного навчання,
відеоконференцій та хмарних сервісів.
Для підтвердження результатів моделювання було виконано розрахунки
бюджету радіолінії, втрат сигналу у вільному просторі та впливу будівельних
конструкцій на якість бездротового зв’язку. Розрахунки показали, що
найбільший вплив на рівень сигналу мають цегляні та бетонні стіни, які можуть
спричиняти додаткове затухання сигналу до 10–18 dB. Отримані результати
підтвердили правильність обраного розташування точок доступу та
відповідність мережі встановленим вимогам щодо якості покриття.
Проведене дослідження показало, що використання трьох точок доступу
забезпечує ефективне покриття поверху площею 500–800 м² та створює умови
для одночасної роботи значної кількості користувачів без суттєвого зниження
якості обслуговування. Використання двох частотних діапазонів дозволяє
поєднати високу швидкість передавання даних у діапазоні 5 ГГц із кращим
проникненням сигналу через перешкоди у діапазоні 2,4 ГГц.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 106
а
Список використаних інформаційних джерел
1. High Quality Network Connection and the Development of Internet of Things
Drive the Demand of Wi-Fi-6 / International Journal of Advanced Network,
Monitoring and Controls Volume 06, No.04, 2021
2. Tavsanoglu Ali, Briso César, CarmenaCabanillas Diego, Arancibia Rafael B..
Concepts of Hyperloop Wireless Communication at 1200 km/h: 5G, Wi-Fi,
Propagation,
3. Anonymous. Wideband Transceivers for 5G, Wi-Fi, UWB Test [J].
Microwave Journal, 2020, 63(12).
4. Advantech; Advantech Launches Edge Network Appliance Designed Ready
for 5G & Wi-Fi 6[J]. Network Business Weekly, 2020.
5. Steve Rackley Williams Idongesit. Community Based Networks and 5G Wi-
Fi[J]. Ekonomiczne Problemy Usług, 2018, 131.
6. Wireless Networking Technology / From Principles to Successful
Implementation / ISBN 13: 978-0-7506-6788-3.
7. Shensheng Tang, John O'Rourke, Grace Tang. Traffic modelling of an
integrated 5G/Wi-Fi network with generally distributed user-dwell times [J].
International Journal of Wireless and Mobile Computing, 2020, 18(3).
8. Williams Idongesit. Community Based Networks and 5G Wi-Fi [J].
Ekonomiczne Problemy Usług, 2018, 131.
9. Guidehouse Insights Reports Global Investment in Industrial Wi-Fi 6
Infrastructure [J]. Wireless News, 2020.
Арк.
ТК225.026344.001 ПЗ
Зм. Арк. № документа Підпис Дат 107
а