Тема 7. Беспроводные сетевые технологии

Лекция 13. Методы беспроводных технологий.

Современные беспроводные технологии условно можно классифицировать следующим образом [2]: 1) Радиовещание. 2) Радиотелефония (например, стандарт DECT). 3) Сотовая телефония (DAMPS, GSM, UMTS). 4) Дистанционное управление (IrDA). 5) Соединения типа «точка-точка» (IrDA). 6) Беспроводные сети. 7) Радиочастотная идентификация (RFID). Беспроводные сети можно, в свою очередь, поделить на WPAN, WLAN и WMAN [3]: 1) Наиболее «короткодействующие», предназначенные для связи оборудования в пределах рабочего места, например, сотового телефона и ноутбука или компьютера и принтера, относят к классу персональных беспроводных сетей (Wireless Personal Area Network, WPAN). Наиболее распространенная технология из этой категории – Bluetooth, радиус действия до 100 м. Такие сети обслуживаются самим пользователем или системным (сетевым) администратором без привлечения телекоммуникационного оператора.

2) Следующим по типом беспроводных коммуникаций являются беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN), которые также называют Wi-Fi сетями – по названию ассоциации (форума) производителей соответствующего этой технологии. Основное предназначение таких систем, отвечающим стандартам семейства , – развертывание беспроводных сетей внутри помещений, хотя не исключено их использование на ограниченных открытых площадках, например, университетских кампусных территориях. Чаще всего такие сети развертывают в переговорных комнатах, кабинетах руководства, залах заседаний компаний, складских помещениях и торговых залах, а иногда и охватывают всю территорию предприятия. Также набирают популярность публичные беспроводные сети в гостиницах, аэропортах, кафе, ресторанах, выставочных залах и других публичных местах. Типичный радиус действия таких систем – порядка 100 метров, а базовая услуга – доступ в интернет или корпоративную сеть (в последнее время – еще и офисная телефония или альтернативная сотовой IP-телефония по беспроводным сетям).

3) Для построения распределенных беспроводных операторских сетей масштаба города (Wireless Metropolitan Area Networks, WMAN) или крупных корпоративных сетей используют оборудование, относящееся к классу фиксированного широкополосного беспроводного доступа (Fixed Broadband Wireless Access, FBWA). Характерный радиус действия базовой станции – до 10 км. К этой категории относится новое оборудование семейства стандартов , которое сертифицирует WiMAX форум. Кроме того, в проекте находится стандарт , предназначенный для построения беспроводных сетей масштаба региона (Wireless Wide Area Networks, WWAN), «дальнобойность» которых составит 50 км. Сети FBWA зачастую являются единственным экономически оправданным решением – когда кабельная инфраструктура отсутствует или низкого качества, либо подключение по проводному каналу слишком дорого, и его прокладка занимает слишком много времени. Основное предназначение таких сетей – организация широкополосного радиоканала, беспроводной «последней» мили до конечного пользователя. Базовые услуги – высокоскоростной доступ в интернет и телефония.

1 Bluetooth Протокол Bluetooth в настоящее время занимает лидирующие позиции на рынке технологий для создания беспроводных персональных сетей (WPAN).Буквальный перевод Bluetooth с английского - это "синий зуб". Однако название технологии возникло не случайно. На самом деле оно неразрывно связано с историей. Bluetooth – это прозвище датского христианского короля, жившего в 900-х годах и правившего во времена набегов викингов на Западную Европу. Король Гаральд Синий Зуб (Harald Bluetooth) вошел в историю как собиратель скандинавских земель. Разработчики технологии пошли еще дальше и собираются объединить посредством Bluetooth все электронные устройства, начиная от телефонов и компьютеров и заканчивая бытовой техникой (музыкальные центры, холодильники и даже кофеварки). Для Bluetooth выделен диапазон частот 2,400-2,483 ГГц. Bluetooth соответствует спецификации стандарта локальных сетей IEEE 802 и использует сигналы с расширением спектра путем скачкообразной перестройки частоты (FHSS) по псевдослучайному закону. Способность Bluetooth-чипа быстро переходить с одной частоты на другую (1600 раз в секунду) делает риск взаимных помех для разных каналов минимальным.

Пропускная способность канала Bluetooth-устройств составляет 723,2 Кбит/с в асинхронном режиме и 433,9 Кбит/с в синхронном. Через Bluetooth-соединение можно также передавать аудиоинформацию - по 3 каналам по 64 Кбит/сек каждый. Возможна и комбинированная передача (данные и голос). Модули Bluetooth работают тактами длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приема. Таким образом, базовая частота может изменяться, принимая одно из 79 значений с интервалом 1 МГц, начиная от 2,400 ГГц и заканчивая 2,483 ГГц [6]. Конечно, наибольшее распространение Bluetooth получил именно в мобильных телефонах: беспроводные гарнитуры, автомобильные комплекты громкой связи давно привычны. Но его применение не ограничено лишь передачей речи. На рынке представлены Bluetooth-мыши, клавиатуры, электронные фоторамки с закачкой картинки по Bluetooth, web-камеры. Компания SonyEricsson предлагает игрушечную машинку CAR- 100 с дистанционным управлением с любого BT-устройства (в том числе и телефона).

2 Wi-Fi Wi-Fi (от англ. Wireless Fidelity) – протокол и стандарт на оборудование для широкополосной радиосвязи, предназначенной для организации локальных беспроводных сетей Wireless LAN. Разработан консорциумом Wi-Fi Alliance на базе стандартов IEEE Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно. Благодаря функции перехода (handover) от одной точки доступа к другой пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения. Мобильные устройства, оснащённые клиентскими Wi-Fi приемо- передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в интернет через точки доступа – «хот споты» (hotspot).Этот стандарт нельзя использовать в сотовых телефонах. Однако этот «недостаток» позволяет добиться пропускной способности 11 Мбит/с (в версии b) и больше. Спецификация a обеспечивает скорости до 54 Мбит/с и нацелена на насыщенные и компактные сети предприятий и офисов. Использованная базовая частота (5 ГГц) гораздо хуже проникает в соседние помещения, нежели в случае 11-мегабитного варианта стандарта, работающего на частоте 2,4 ГГц.

Лекция 14. Технологии беспроводных систем.

Устройства Bluetooth работают в полосе частот ,5 МГц. Эти частоты имеют статус ISM (Industrial Scientific Medical – «Промышленные, Научные, Медицинские») и являются свободными от лицензирования. В версии 2.0 протокола определено два вида модуляции. Базовый режим (Base rate), который является единственным для первых версий протокола, для снижения сложности передатчика использует двухуровневую частотную модуляцию с фильтром Гаусса (GFSK). Дополнительный режим с «улучшенной скоростью передачи данных» (Enhanced Data Rate, EDR) использует фазовую манипуляцию (Phase-Shift Keying, PSK) и имеет два варианта: π/4-DQPSK и 8DPSK. Для полнодуплексной (двусторонней) передачи в обоих режимах используется схема с временным разделением (Time Division Duplex, TDD) [15]. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков. Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 (в Японии, Франции и Испании – 23) радиочастотным подканалам.Технология Bluetooth использует дуплексную передачу на основе временного разделения (мультиплексирования). Ведущее устройство передает пакеты в нечетные интервалы времени (слоты), а ведомое устройство – в четные. Пакеты в зависимости от длины могут занимать до пяти интервалов.

Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал. Передатчик в каждый момент времени использует только один подканал. Эти скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте. Разделение полосы частот на подканалы приведено в таблице. Bluetooth обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с в асинхронном режиме с обратным каналом 57,6 Кбит/с или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях. Скорость каждого голосового канала – 64 Кбит/с в каждом направлении [17]. Устройства классифицируются по трем классам мощности, которые указаны в таблице.

Страна Частота, MГц Диапазон, MГц Число каналов США и Европа (кроме Испании и Франции) 2400 – 2483,5 f = k k=0-78 Япония 2471 – 2497 f = k k=0-22 Испания 2445 – 2475 f = k k=0-22 Франция 2446,5 – 2483,5 f = k k=0-22 Таблица - Разделение полосы частот на подканалы

Класс Максимальная выходная мощность Номинальная выходная мощность Минимальная выходная мощность 1100 м Вт (20 dBm)не определена 1 м Вт (0 dBm) 22,5 м Вт (4 dBm)1 м Вт (0 dBm)0,25 м Вт (-6 dBm) 31 м Вт (0 dBm)не определена

По классу мощности устройства можно судить о его радиусе действия. Так, к примеру, максимально возможные 100 метров обеспечивает только первый класс. Модули второго класса, которыми оснащается большая часть современных мобильных телефонов, способны «общаться» на расстоянии около 10 метров. А дальность модулей третьего класса составляет 1-2 метра. Устройства первого класса должны осуществлять контроль мощности для ограничения энергии передачи свыше 4 dBm. Контроль мощности ниже 4 dBm является необязательным и может применяться для снижения потребляемой мощности и уровня помех. Снижение энергии осуществляется пошагово с интервалом от 2 до 8 дБ. Устройства первого класса с максимальной мощностью 20 dBm должны быть способны по возможности снижать мощность до 4 dBm или ниже.

Спецификация Bluetooth определяет два типа соединений: синхронное и асинхронное. Синхронное соединение (SCO) возможно только в режиме точка- точка. Такой вид связи применяется для передачи информации, чувствительной к задержкам – например, голоса. Основное устройство поддерживает до трех синхронных соединений, вспомогательное – до трех синхронных соединений с одним основным устройством или до двух – с разными основными устройствами. При синхронном соединении основное устройство резервирует временные сегменты, следующие через так называемые SCO-интервалы. Даже если пакет принят с ошибкой, повторно при синхронном соединении он не передается. При асинхронной связи (ACL) используются временные сегменты, не зарезервированные для синхронного соединения. Асинхронное соединение возможно между основным и всеми активными подчиненными устройствами в пикосети. Основное и подчиненное устройства могут поддерживать только одно асинхронное соединение. Поскольку в пикосети может быть несколько подчиненных устройств, конкретное подчиненное устройство отправляет пакет основному, только если в предыдущем временном интервале на его адрес пришел пакет от основного устройства.

Каждый новый стандарт использует новые, более быстрые и надежные спецификации для физического уровня: спецификация для работы в инфракрасном диапазоне; DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, расширение спектра прямой последовательностью) определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра методами прямой псевдослучайной последовательности; FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, расширение спектра за счет скачкообразного изменения частоты) определяет работу устройств в диапазоне радиочастот по радиоканалам с широкополосной модуляцией со скачкообразной перестройкой частоты псевдослучайными методами; OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, ортогональное мультиплексирование с разделением частот) определяет работу устройств в диапазоне радиочастот но радиоканалам с. использованием подканалов с разными несущими частотами; технология кодирования Баркера описывает способ кодирования данных с помощью последовательностей Баркера;