Беспроводные технологии и классификация беспроводных сетей

 

Беспроводные технологии — подкласс информационных технологий, служащих для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия можно выделить:

Рис. 1. Классификация по дальности действия

· Беспроводные персональные сети (WPAN — Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий — Bluetooth.

· Беспроводные локальные сети (WLAN — Wireless Local Area Networks). Примеры технологий — Wi-Fi.

· Беспроводные сети масштаба города (WMAN — Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий — WiMAX.

WPANS: Беспроводные персональные сети

Две современные технологии создания беспроводных персональных сетей — это Infra Red (IR (ИК)) и Bluetooth (IEEE 802.15). Они предоставляют возможность связи устройств в радиусе 30 футов (около 10 м). Для установки ИК связи устройства должны находиться в зоне прямой видимости. Их связь характеризуется достаточно небольшим расстоянием.

WLANS: Беспроводные локальные сети

WLANS предоставляет возможность пользователям определенного района или места, например, университетского городка или библиотеки, создать сеть и получить доступ в Интернет. Временная сеть может быть создана с ограниченным числом пользователей и без приемоперадатчика при условии, что им не требуется доступ к Интернет-ресурсам.

WMANS: Беспроводные городские сети

Даная технология позволяет объединять несколько сетей в городе, например, городские здания, что является прекрасной альтернативой кабельному соединению.

Также в некоторых источниках выделяют глобальные беспроводные сети (WWANS), которые действуют до 10 тис. км.

WWANS: Беспроводные глобальные сети

Данный тип сетей объединяет различные города и страны посредством систем спутниковой или антенной связи. Их называют системами 2G (системами второго поколения).

 

 

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

 

Рис. 2. Классификация по дальности действия и максимальной скорости передачи данных

 

По области применения можно выделить:

· Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети — создаваемые компаниями для собственных нужд.

· Операторские беспроводные сети — создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

В комплексе с классификацией беспроводных сетей необходимо рассмотреть основные стандарты, которые действуют в этой области.

Стандарт 802.11 впервые появился в 1990-х годах. Он был разработан Институтом электроники и электрики. Теперь он является ведущей технологией в мире беспроводных сетей. Использование FHSS (frequency hopping spread spectrum) or DSSS (direct sequence spread spectrum) обеспечивает передачу данных со скоростью от 1 до 2 Мбит в секунду в 2.4 ГГц канале.

A

Использование OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) обеспечивает передачу данных со скоростью до 54 Мбит в секунду в 5 ГГц канале.

B

Известен как Wi-Fi или высокопроизводительный стандарт 802.11, он использует DSSS и применяется к локальным сетям. Стандарт используется в основном в частных целях, в домах. Гарантирует скорость 11 Мбит в секунду запас 5,5, 2 и Мбит в секунду.

G

Обеспечивает скорость 20 Мбит в секунду и более, применяется с локальными сетями в канале 2,4 ГГц.

802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX). Спецификация утверждена в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного

доступа DSL.

802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Спецификация утверждена в 2005 году. Это — новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3; 2,5; 3,4–3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, а недавно оператор Sprint анонсировал старт проекта национального масштаба. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSXPA).

Необходимо рассмотреть основные отличия проводных и беспроводных сетей(см. Таблица 1).

Таблица 1.

Характеристика	Проводные	Беспроводные
Среда передачи	Кабель (медный, оптический)	Кабель не требуется, передача при помощи электромагнитных волн
Пропускная способность	Высокая	Ограниченная
Расстояния между точками	Большие	Как правило, ограничены
Мобильность абонентов	Не обеспечивается	Может быть обеспечена

 

Описание технологий

Для беспроводных компьютерных сетей используются следующие технологии: Wi-Fi, WiMax, Bluetooth, IrDa, радиосвязь, GPRS/EDGE, 3G.

Wi - Fi

Wi-Fi был создан в 1991 NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi - Вик Хейз (Vic Hayes).

Преимущества Wi-Fi. Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

Wi-Fi — это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру.

Недостатки Wi-Fi. Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы; во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США.

Высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.

Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний Wi-Fi маршрутизатор стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи. Микроволновка или зеркало, расположенные между устройствами Wi-Fi, ослабляют уровень сигнала. Расстояние зависит также от частоты.

Уменьшение производительности сети во время дождя.

Перегрузка оборудования при передаче небольших пакетов данных из-за присоединения большого количества служебной информации.

WiMAX

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access, по-русски читается вайма́кс, по-английски ваймэкс) — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который так же называют Wireless MAN. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL».

WiMAX подходит для решения следующих задач:

· Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

· Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

· Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

· Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большей пропускной способностью и покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а так же локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети масштабов целых городов.

Bluetooth

Bluetooth (переводится синий зуб, в честь Харальда I Синезубого; разговорные названия: блютус, блютуф) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN).

Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10-100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях. Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — псевдослучайная перестройка рабочей частоты). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Технология Bluetooth используется для создания небольших сетей до 8 устройств: карманных и портативных компьютеров, мобильных телефонов и ПК. Но данная технология может использоваться и в клавиатурах, мышках, наушниках, устройствах hands-free и т. д.

Infrared Data Association

Infrared Data Association — IrDA, ИК-порт, Инфракрасный порт — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.

Была особо популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов. В данное время практически вытеснена более современными способами связи, такими как WiFi и Bluetooth. Вопреки распространенному мнению, основной причиной отказа от IrDA была вовсе не низкая скорость передачи данных, а ограниченная дальность действия и требования прямой видимости пары приемник-передатчик.

Аппаратная реализация, как правило, представляет собой пару из передатчика, в виде светодиода, и приемника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон является необходимым для использования протоколов гарантированной доставки данных.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с ИК-портами. Дистанционный пульт управления передает команды на телевизор или видеомагнитофон с помощью IrDA. Сейчас ИК-портами все ещё оснащается большинство мобильных телефонов, ноутбуков и карманных компьютеров. ИК-портами оснащаются некоторые принтеры и цифровые фотоаппараты. Большинство настольных ПК, напротив, не имеет инфракрасного порта в стандартной системной конфигурации, и для них необходим ИК-адаптер, который подключается к компьютеру через USB, СОМ-порт или в специальный разъем на материнской плате.

Через ИК-порт можно, например, передать цифровую визитную карточку, мелодию, картинку или файл на другой мобильник или компьютер, на котором также имеется ИК-порт.

Радио

Ра́дио (лат. radio — излучаю, испускаю лучи ← radius — луч) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Принцип работы

Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется радиоволна (сигнал) с требуемой частотой и мощностью. Далее передаваемый сигнал модулирует более высокочастотное колебание (несущую). Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он фильтруется и демодулируется. После демодуляции получается сигнал, с некоторыми (возможно допустимыми) различиями с сигналом, который мы передавали передатчиком.

Частотные диапазоны

Частотная сетка, используемая в радиосвязи, условно разбита на диапазоны:^[1]

· Длинные волны (ДВ) — f = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м)

· Средние волны (СВ) — f = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м)

· Короткие волны (КВ) — f = 3—30 МГц (λ = 100—10 м)

· Ультракороткие волны (УКВ) — f = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м)

· Высокие частоты (ВЧ - сантиметровый диапазон) — f = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м)

· Крайне высокие частоты (КВЧ - миллиметровый диапазон) — f = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м)

· Гипервысокие частоты (ГВЧ - микрометровый диапазон) — f = 30 ГГц — 300 ГГц (λ = 0,01—0,001 м)

GPRS/EDGE

Слова GPRS и EDGE стали синонимом мобильного Интернета. Практически все операторы сотовой связи мира предоставляют услуги доступа в Интернет с помощью мобильного устройства.

Оплата услуги GPRS/EDGE необычна: Вы платите не за минуту соединения, как при телефонных разговорах, а за переданные и принятые буквы.

Например, предположим, что стоимость 100 килобайт составляет 50 копеек, а отправка одной SMS - 1 рубль. 100 килобайт - это примерно 100 000 букв, в то время как в SMS - 160 символов. В результате, за 1 рубль (стоимость SMS), Вы могли бы переслать более 1200 смс-ок!

GPRS отличается от EDGE скоростью. У EDGE она в два раза выше, чем у GPRS.

Стандарт GSM позволяет передавать данные со скоростью до 9,6 Кбит/с. Для обмена факсами этого достаточно, для работы в Интернете - слишком мало.

Для ускорения передачи данных разработали HSCSD - High Speed Circuit Switched Data - протокол высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов. Результат достигается объединением нескольких частотных GSM-каналов, используемых для голосовой связи. Однако при использовании HSCSD все отведенные под него линии постоянно заняты, что делает связь слишком дорогой.

На смену HSCSD пришел GPRS - General Packet Radio Service, - который позволяет передавать данные с более эффективным использованием каналов. При подключении к Интернету канал будет занят только при передаче данных, а если передачи не происходит, канал может использоваться другими абонентами.

Впервые EDGE была представлена ESTI (Европейский институт стандартизации электросвязи) в начале 1997 года в качестве эволюции существующего стандарта GSM.

EDGE использует ту же полосу пропускания и структуру временных слотов, что и GSM. Таким образом оператор может продолжать использовать уже имеющиеся диапазоны частот по 200 кГц, структуру каналов и частотные планы, при этом предлагая своим абонентам ряд услуг третьего поколения. Более того, использующийся в EDGE формат пакета полностью идентичен аналогичному пакету в TDMA или GSM. Он включает тестовую последовательность из 26 символов в центре пакета, две хвостовые последовательности из трех символов с каждого конца пакета, две последовательности с данными по 58 символов и контрольную последовательность из 8.25 символов.

EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) - является эволюционным развитием GSM/GPRS, позволяющим в теории обеспечить беспроводную передачу данных со скоростью до 473,6 кбит/с. Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100-120 кбит/с, с пиковыми значениями до 230 кбит/с. Во многом скорость передачи данных в сети с поддержкой технологии EDGE зависит от типа мобильного телефона.

3G

3G - это новое поколение мобильной связи, мобильного Интернета. В 3G предусмотрено увеличение скорости передачи данных.

До недавнего времени основным фактором, определяюшим развитие мобильных коммуникаций, была традиционная передача голоса. Однако внедрение новых технологий высокоскоростной передачи данных, включая GPRS и EDGE, и эволюция к системам UMTS/WCDMA позволит операторам сотовой связи предоставлять неограниченные беспроводные мультимедиа-услуги, например, электронные открытки, просмотр Web-страниц, доступ к корпоративным сетям.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - это высокоскоростная передача данных, Мобильный Интернет, различные приложения на основе Интернета, интранета и мультимедиа. Ключевой технологией для UMTS является Широкополосный Многостанционный Доступ с Кодовым Разделением (WCDMA). Эта революционная технология радиодоступа, выбранная в сентябре 1998 года Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций, поддерживает все мультимедийные услуги 3G. Системы WCDMA/UMTS включают усовершенствованную базовую сеть GSM и радиоинтерфейс по технологии WCDMA. Скорость передачи в радиоканале для мобильного абонента достигает 2 Мбит/с. WCDMA предназначена для использования в системах, работающих в частотном диапазоне 2 ГГц, который позволит в полной мере использовать все преимущества этой технологии. Например, всего одна несущая WCDMA шириной 5 МГц обеспечит предоставление смешанных услуг, требующих скоростей передачи от 8 кбит/с до 2 Мбит/с. А мобильные терминалы, совместимые с WCDMA смогут в соответствии с рекомендациями ITU работать сразу с несколькими услугами.

HSDPA, расшифровывающаяся как High Speed Downlink Packet Access - это технология высокоскоростного пакетного доступа по входящему каналу. Предназначенную прежде всего для передачи данных, эта технологию можно сравнить, например, с EDGE в сетях GSM второго поколения, вот HSDPA предлагает скорости в десятки раз выше и, по сути, позволяет расширить емкость сетей третьего поколения в 3-4 раза. Cистемы 3G с поддержкой HSDPA уже получили название 3.5G

Скорость передачи данных:
EDGE - 384 Кбит/с (48 Кбайт/с)
WCDMA (UMTS) - 2 Мбит/с (256 Кбайт/с)
HSDPA - до 8-11 Мбит/с