Тема 7. Беспроводные сетевые технологии. Лекция 13. Методы беспроводных технологий. - презентация

1 Тема 7. Беспроводные сетевые технологии

2 Лекция 13. Методы беспроводных технологий.

3 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.

4 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).

5 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.

6 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.

7 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).

8 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.

9 Лекция 14. Технологии беспроводных систем.

10 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.

11 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.

12 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

13 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

14 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.

15 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.

16 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;