IEEE 802.11

IEEE 802.11 הוא שם כולל למשפחה של תקנים לתקשורת אלחוטית ברשתות מקומיות (Wireless LAN). המונח מתייחס גם לתקן 802.11 המקורי, שנקרא כיום "802.11legacy". במשפחה עשרות תקנים שונים המסומנים באות אנגלית אחת, וכן מספר תקנים עתידיים המסומנים בשתי אותיות.

משפחת התקנים פותחה על ידי קבוצה 11 של הוועדה לתקני LAN/MAN של ארגון IEEE (ועדה IEEE 802) ומכאן שמם. 802.11 כוללת שש שיטות אפנון לשידור באוויר שמשתמשות באותו פרוטוקול תקשורת.

התקנים הנפוצים ביותר הם אלה שמסומנים על ידי g ו-n. תקנים אחרים במשפחה (c–f, h–j) הם שיפורים והרחבות או תיקונים לתקן המקורי. התקן הראשון שנכנס לשימוש נרחב היה 802.11b. אחריו קיבל תפוצה רחבה תקן 802.11g. רכיבים תואמי 802.11a (שיצא אחרי תקן 802.11b) זמינים אך אינם נפוצים. מרבית הרכיבים הנפוצים היום תואמים את תקן 802.11n, שיצא ב-2009.

תקנים 802.11b ו-802.11g מגדירים שימוש בתדרים ללא רישוי באזור 2.4 גיגה הרץ (GHz). פעולה בתחום תדרים זה עלולה להיות חשופה להפרעות מתנורי מיקרוגל, מטלפונים אלחוטיים מסוימים וממכשירי חשמל אחרים שפועלים באותו תחום תדרים. בניגוד להם, תקן 802.11a מגדיר פעולה בסביבות 5 גיגה הרץ. תקן 802.11n מגדיר פעולה הן באזור תדר 2.4GHz והן באזור 5GHz. השיטה שמאפשרת שימוש בתקנים אלו מכונה OFDM.

משפחת תקנים זו משמשת לעיתים גם ליצירת קשר נקודה לנקודה אלחוטי, המכונה גם Direct Link Setup.

פרוטוקולים

802.11 legacy

הגרסה המקורית של תקן IEEE 802.11 ששוחררה ב-1997 מפרטת קצבי העברת מידע של 1 ו-2 מגהביט לשנייה על גבי גלי תת-אדום לשימוש בתחומי רפואה, תעשייה ומדע. על אף שתת-אדום נשאר חלק מהתקן, אין לו מימוש מסחרי.

התקן המקורי מגדיר גם שיטת Carrier Sense Multiple Access עם הימנעות מהתנגשויות (CSMA/CA) בתור השיטה לגישה לתווך התקשורת. חלק רב מרוחב הפס מוקרב (בגלל שימוש בשיטת CSMA/CA) כדי לשפר את אמינות העברת המידע תחת תנאים שונים.

לפחות חמישה מכשירים מסחריים שונים של חברות כמו Alvarion, Netwave Technologies ו-Proxim משתמשים בתקן המקורי. חסרונו של תקן זה הוא שהותיר חופש בחירה רב לחברות שמימשו אותו, ולכן קשה היה להגיע לתאימות של מכשירים מתוצרת חברות שונות לעבוד יחד. זמן קצר לאחר השלמת התקן החלה העבודה על גרסה משופרת שלו - 802.11b.

802.11b

שינוי זה לתקן המקורי אושר ב-1999. קצב העברת המידע המקסימלי של 802.11b הוא 11 מגהביט לשנייה והוא מגדיר אותה שיטת גישה למידע שהוגדרה בתקן המקורי - CSMA/CA. בגלל השימוש בפרוטוקול זה, היה קצב העברת המידע המקסימלי בפועל רק 5.9 מגהביט בשימוש ב-TCP או 7.1 מגהביט ב-UDP, כלומר תקורת הפרוטוקול הייתה כמעט 40%.

זמן קצר לאחר הגדרת התקן החדש, שודרגו מוצרים קיימים כך שיתמכו בו, ומוצרים חדשים המבוססים עליו הופיעו בשוק. הדבר התאפשר מפני שתקן 802.11b הוא הרחבה ישירה של שיטת האפנון DSSS שהוגדרה בתקן המקורי. העלייה המשמעותית בקצב העברת המידע (ביחס לתקן המקורי), ביחד עם הורדות מחירים, הובילו לתפוצה רחבה של 802.11b.

802.11b משמש לרוב בתצורה של נקודה לנקודות מרובות (point to multi-point), שבה נקודת גישה מתקשרת, דרך אנטנה כל כיוונית, עם לקוח אחד או יותר שנמצאים בתחום הכיסוי של האנטנה. באנטנות בעלות שבח גבוה ניתן להשתמש בתצורה נייחת של נקודה לנקודה לטווחים של עד 8 ק"מ, אף על פי שהיו הצלחות בשימוש בתצורה זו גם בטווחים של 80 - 120 ק"מ, כשהיה קשר עין עם המשדר. שימוש בתצורה זו החליף לרוב שימוש בקווים שכורים או תקשורת מיקרוגל מגושמת.

כרטיסי 802.11b מסוגלים לפעול בקצב 11 מגהביט לשנייה, אבל אם איכות האות נמוכה, ירד קצב הפעולה ל-5.5, אחר כך ל-2 ואז ל-1 מגהביט לשנייה. מפני שבקצבי העברת מידע נמוכים משתמשים בשיטות אימות נתונים טובות יותר, הם פחות רגישים לרעשים והנחתת האות. הרחבות לתקן 802.11b הגדילו את קצב העברת המידע למהירויות של 22, 33 ו-44 מגהביט לשנייה, אולם ההרחבות לא אושרו על ידי ה-IEEE. מספר חברות ייצרו גרסה משופרת בשם "802.11b+". הרחבות אלה לא נחלו הצלחה מרובה בגלל פיתוח תקן 802.11g, המציע קצב העברת מידע של עד 54 מגהביט לשנייה ותאימות לאחור לתקן 802.11b.

השימוש המסחרי הנפוץ הראשון בתקן 802.11b לתקשורת היה על ידי חברת אפל, במותג "AirPort". בשאר השוק מובילות חברות כגון Linksys (סיסקו), בלקין או Netgear.

802.11a

תיקון 802.11a לתקן המקורי אושר בשנת 1999. תקן 802.11a משתמש באותו פרוטוקול מרכזי כמו התקן המקורי, פועל בתדר 5 גיגה הרץ ומשתמש בשידור מרובה ערוצים (OFDM) של 52 תתי ערוצים בקצב מקסימלי של 54 מגהביט לשנייה, שמגיע לקצב מעשי של 20 - 30 מגהביט לשנייה. התקן מגדיר ירידה בקצב השידור ל-48, 36, 24, 18, 12, 9 ולבסוף 6 מגהביט לשנייה כאשר האות חלש או ההפרעות מרובות. בתקן 802.11a מוגדרים 12 ערוצים לא חופפים, 8 ערוצים לשידור במרחב סגור ו-4 לשידור נקודה לנקודה. התקן אינו תואם לתקן 802.11b.

הואיל ותדרים באזור 2.4 גיגה הרץ נמצאים בשימוש רב, שימוש בתדר 5 גיגה הרץ מעניק לתקן 802.11a יתרון בכך שהוא סובל פחות מרעשים. אולם לשימוש בתדר כה גבוה יש גם חסרונות, שנובעים מהגבלת השימוש בתקן רק בקו הראייה, וכך עולה הצורך בנקודות גישה נוספות.

מדינות שונות הגבילו במידה רבה את השימוש בתקן 802.11a. במספר מדינות (למשל: ארצות הברית ויפן) אושר התקן במהרה, אבל באזורים אחרים, כמו באיחוד האירופי, עבר זמן רב עד שהושג אישור לשימוש בתקן. רשויות ההגבלים באירופה שקלו את השימוש בתקן HIPERLAN במקום IEEE802.1a, אבל בסופו של דבר, באמצע 2002, אושר התקן גם באירופה.

מתוך 52 תתי-הערוצים של התקן, 48 משמשים למידע ו-4 תתי-ערוצים לסינכרון עם הפרדה של 0.3125 מגה הרץ ביניהם. האפנון בכל אחד מתתי-הערוצים יכול להיות BPSK, QPSK, 16-QAM או 64-QAM. רוחב הפס הכולל של כל ערוץ הוא 20 מגה הרץ, עם רוחב פס של 16.6 מגה הרץ בשימוש. משך האות הוא 4 מיקרו שניות עם Guard Interval של 0.8 מיקרו שניות. ההפקה והקידוד של הרכיבים האורתוגונליים של האות נעשים בפס הבסיס בעזרת DSP. לאחר מכן נשלח האות בתדר 5 גיגה הרץ מהמשדר. כל אחד מתתי-הערוצים ניתן לייצוג כמספר מרוכב. הפקת האות בממד הזמן נעשית על ידי התמרת פורייה הפוכה (IFFT). בהתאם, המקלט דוגם בקצב של 20 מגה-הרץ ומבצע התמרת פורייה (FFT) כדי לשחזר את האות המקורי. היתרונות בשימוש ב-OFDM כוללים חסינות לרעשים והגדלה של כמות המידע שניתן לשדר ברוחב הפס בשנייה.

שיווק מוצרים בתקן 802.11a החל בשנת 2001. קצב המכירות לא היה גבוה בגלל מחסור ברכיבים בתדר 5 גיגה הרץ, הנדרשים ליישום התקן. תקן 802.11a לא זכה לתפוצה רחבה מכמה סיבות: קבלת האישורים הנדרשים ארכה זמן רב בגלל תחום התדרים החדש, תקן 802.11b כבר תפס נתח גדול מהשוק, והתקן החדש סבל ממימוש לא יעיל, שגרם לטווח שלו להיות קצר. יצרני רכיבים בתקן 802.11a הגיבו בשיפור הטכנולוגיה, בהגדלת טווח הקליטה של המוצרים (כיום טווח הקליטה של תקן 802.11a דומה לזה של תקן 802.11b) ובייצור מוצרים שמסוגלים לפעול תחת כמה תקני 802.11. יש מוצרים דו-מצביים או תלת-מצביים שתומכים בתקן 802.11a ו-b, או 802.11a, b, g. כמו כן, יש נקודות גישה שתומכות בכל התקנים האלה במקביל.

802.11g

חלוקת הערוצים בתחום ה-2.4GHz על פי תקני b/g. ערוצים 1, 6 ו-11 אינם חופפים זה לזה.

תקן 802.11g אושר ביוני 2003. התקן פועל בתדר 2.4 גיגה הרץ (כמו 802.11b) אבל מסוגל להעביר נתונים לא מעובדים בקצב 54 מגהביט לשנייה או בתפוקה נטו של 24.7 מגהביט לשנייה, כמו תקן 802.11a. תקן 802.11g תואם לאחור לתקן 802.11b ומשתמש באותו תחום תדרים. נעשה מאמץ רב לגרום למוצרים התומכים רק בתקן 802.11b לפעול יחד עם מוצרים התומכים בתקן 802.11g, אולם נוכחות של אפילו רכיב יחיד בתקן 802.11b מאטה משמעותית (בחלק מהרשתות, בעיקר הישנות יותר) את כל רכיבי 802.11g ברשת.

תקן 802.11g סחף את עולם הצרכנים החל מינואר 2003, עוד לפני אישורו. צרכנים עסקיים ויצרנים גדולים חיכו לאישורו הסופי של התקן. בקיץ 2003 הגיע ההכרזה על התקן והוא אושר. רוב הרכיבים הדו-מצביים שתמכו בתקנים 802.11a/b הפכו לתלת-מצביים שתומכים בתקן a,b,g בכרטיס יחיד או בנקודת גישה אחת.

הציפייה מתקן 802.11g הייתה שיהיה מהיר יותר, אבל התוצאות האמיתיות היו שונות, בגלל מספר סיבות: תאימות נמוכה עם מוצרים שפועלים בתקן 802.11b בלבד, חשיפה לאותן הפרעות כמו של תקן 802.11b, מספר ערוצים נמוך (3 ערוצים לא חופפים, כמו בתקן 802.11b) והעובדה שקצבי העברת המידע המהירים של תקן 802.11g רגישים יותר להפרעות מאשר תקן 802.11b, דבר שמביא להורדת קצב העברת המידע על ידי המכשיר לקצבים דומים לשל תקן 802.11b. המעבר למוצרים דו-מצביים ותלת-מצביים מביא להוזלה בעלויות (למשל בגלל שילוב כל התקנים בשבב יחיד). שימוש במוצרים תלת-מצביים מבטיח תפוקה מקסימלית בכל סביבה שהיא.

בחלק מנקודות הגישה שולב מוצר קנייני בשם Super G. במוצרים אלה מהירות הרשת מואצת עד לקצב של 108 מגהביט לשנייה. מוצרים אלה עלולים לשבש רשתות אחרות ולא לתמוך בכל כרטיסי b ו-g תקניים. כמו כן, בחלק מהמוצרים מיושמות שיטות Packet Bursting, שמגדילות את קצב התעבורה, אך מוצרים אלה אינם תואמים את כל המכשירים הקיימים.

היצרן הגדול הראשון שהשתמש בתקן 802.11g היה אפל, במותג "AirPort Extreme". חברת סיסקו קנתה את חברת Linksys, שמימשה את התקן והציעה כך התקן רשת אלחוטי משלה בשם Aironet.

802.11n

בינואר 2004 הודיע ה-IEEE על יצירת צוות משימה חדש לפיתוח הרחבה לתקן 802.11 לרשתות מקומיות בתקשורת אלחוטית.

תקן 802.11n נבנה על התקנים הקודמים, כלומר הן בתדרים סביב 2.4GHz והן בתדרים סביב 5GHz, אך תוך שימוש בריבוי אנטנות - MIMO (multiple-input multiple-output). האנטנות הנוספות של המשדר והמקלט מאפשרות תפוקה גבוהה באמצעות ריבוב מרחבי וטווח מוגבר באמצעות שינוי האות במרחב (Spatial Diversity), על ידי שיטות קידוד כמו קידוד Alamouti, ובעל טווח הקליטה גדול יותר: כ-70 מטרים בתוך מבנה.

עוד לפני צאת האישור הרשמי לתקן, בספטמבר 2009, יצאו לשוק מוצרים של יצרנים רבים המבוססים על הטיוטה הראשונה והשנייה של התקן, שכונו "pre-N" (הראשונים שבהם הופיעו ב-2004). כיום זהו התקן הנפוץ ביותר.

קצב נתונים

תקן זה משתמש בקידוד OFDM על מנת להגדיל את הקצב המידע בשימוש של אותו רוחב פס.

מטרת התקן היא להגדיל את תעבורת הרשת ביחס לשני הסטנדרטים הקודמים 802.11a ו 802.11g על ידי הגדלה משמעותית של קצב הנתונים ל54Mbit/s עד 72Mbit/s עבור זרם נתונים בודד (נקרא stream) בערוץ של 20MHz, ו 600Mbit/s בשימוש של 4 סטרימים עם מודולציה מקסימלית של 64-QAM וערוץ של 40MHz, כלומר, התקן מהיר פי 4–5 מתקן 802.11a או 802.11g ופי 20 מתקן 802.11b.

מהירות מרבית ביחס לתקן השידור

802.11ac

תקן תקשורת אלחוטי במהירות גבוהה בתדר של 5 גיגה הרץ. קצב השידור שלו מגיע עד 1.3 גיגה ביט בשנייה. התקן החדש, מציע תאימות לאחור. התקן מסוגל לשדר במספר ערוצים בו זמנית. ב-20 בינואר 2011 אושרה טיוטה 0.1 של התקן על ידי וועדת 802.11 של ארגון IEEE. התקן אושר בתחילת שנת 2014, אך כבר בסוף 2011 חברת Quantenna וחברת ברודקום הוציאו לשוק פתרונות ושבבים שתומכים בתקן. בינואר 2012 הציגו חברות באפלו וטרנדנט נתבים המבוססים עליו. הנתב של באפלו תומך בקצב של עד 800 מגה ביט, ואילו הנתב של טרנדנט תומך בקצב של עד 1.3 גיגה ביט בשני ערוצי שידור.

802.11ax

תקן 802.11ax (נקרא Wi-Fi 6 או HE - High Efficiency) מטרתו העיקרית של התקן היא שיפור יעילות על ידי שיפור קצב העברת נתונים עבור שטח נתון בצפיפות גבוהה, כמו משרדים, קניונים ובנייני דירות צפופים

802.11be

תקן 802.11be (נקרא Wi-Fi 7 או EHT- Extremely High-Throughput)

802.11ad

ערך מורחב – Wigig

תחום התדרים: 60GHz, קצב תעבורה: עד 7 גיגהביט בשנייה.

תקנים עתידיים

תקנים עתידיים שנמצאים בשלבי גיבוש או מימוש:

• 802.11ay - תחום התדרים: 60GHz, קצב תעבורה: עד 20 גיגהביט בשנייה

הרחבות נוספות

להלן הרחבות עתידיות העוסקות בשיפורים נוספים לתקן:

• 802.11ah - שירות WiFi לטווח ארוך (כקילומטר) בקצב נמוך יחסית (מאות קב"ש בלבד), שיפעל בתדר שנמוך מ-1 גה"צ (ככל הנראה כ-900 מה"צ) - מיועד לאפליקציות האינטרנט של הדברים
• 802.11ai - התחברות מהירה ל-WiFi
• 802.11ax - שיפור היעילות של רשתות WiFi (בעיקר למקומות בהן צפיפות מכשירים גבוהה, כגון אצטדיונים וקניונים)
• 802.11az - שירות איכון, דמוי GPS, המיועד לפעול בתוך מבנים

ראו גם

• IEEE 802.1X
• Wi-Fi
• WiMAX
• התקפת שיבוש
• התקפת ביטול אימות ברשת אלחוטית
• בלוטות'

קישורים חיצוניים

• סקירת תקן 802.11ac, לביא שיפמן, אתר NetCHEIF