Что такое беспроводная техника. Проводные и беспроводные виды соединений для домашней сети с интернет. Технология DOCSIS или соединение по ТВ кабелю

Технологии беспроводных сетей

По прочтении этой главы и после выполнения практических заданий вы сможете:

· рассказать о современных технологиях беспроводных сетей;

· изложить историю развития беспроводных сетей и их преимущества;

· описать технологии радиосетей;

· рассказать о радиосетях стандарта 802.11;

· описать альтернативные технологии радиосетей (такие как Bluetooth, HiperLAN и HomeRF Shared Wireless Access Protocol);

· обсудить беспроводные технологии, использующие инфракрасное излучение;

· рассказать о микроволновых сетях;

· описать беспроводные сети, использующие низкоорбитальные (LEO) спутники Земли.

Беспроводные сети представляют собой развивающуюся технологию, вызывающую большой интерес по многим причинам. Самой очевидной причиной является то, что такие сети обеспечивают мобильность портативных и ручных компьютерных устройств, позволяя пользователю забыть о кабелях. Другая причина состоит в том, что в настоящее время беспроводные технологии стали более надежными и в некоторых ситуациях их развертывание обходится дешевле, чем создание кабельных сетей. Имеется несколько альтернативных кабелю беспроводных сред для передачи сетевых пакетов: радиоволны, инфракрасное (ИК) излучение и микроволны (волны СВЧ-диапазона). При использовании всех перечисленных технологий сигналы передаются по воздуху или в атмосфере, что делает их хорошей альтернативой в тех случаях, когда трудно или невозможно применить кабель.

В этой главе вы познакомитесь со многими типами беспроводных сетевых коммуникаций. Сначала вы узнаете, какие беспроводные сети используются настоящее время, а затем ознакомитесь с краткой историей таких сетей т ix преимуществами. После общего описания сетей, использующих радио волны, будет подробнее рассказано о распространенном стандарте беспроводных сетей IEEE 802.11. Также вы узнаете об альтернативных технологиям радиосетей: Bluetooth, HiperLAN и HomeRF Shared Wireless Access Protocol затем будут описаны технологии на базе рассеянного ИК-излучения, обеспечивающие относительно защищенные беспроводные коммуникации, наконец, будет рассказано о том, как в сетях применяются микроволновые технологии на базе наземных и спутниковых каналов (включая сети широко орбитальных спутников Земли).

Современные технологии беспроводных сетей

В настоящее время для создания беспроводных сетей применяются следующие технологии:

· технологии, использующие радиоволны;

· технологии на базе ИК-излучения;

· микроволновые (СВЧ) технологии;

· сети на базе низкоорбитальных спутников Земли (специальный космический проект с использованием СВЧ-волн).

Технологии, использующие радиоволны, очень распространены и представляют собой быстро растущий сектор беспроводных сетевых коммуникации. Сюда же входит стандарт беспроводных сетей 802.11, а также альтернатив промышленные стандарты, такие как Bluetooth, HiperLAN и НотеShared Wireless Access Protocol (SWAP).

Технологии на базе ИК-излучения не так распространены, как радиосетям однако они имеют некоторые преимущества, поскольку позволяют создавав относительно более защищенные беспроводные сети (т. к. сигнал сложнее перехватить незаметно). Обе технологии (радиоволны и ИК-излучение) используются для организации коммуникаций на малых расстояниям в пределах офиса, здания или между зданиями.

Микроволновые (СВЧ) технологии применяются для связи на больших расстояниях и могут обеспечить сетевые коммуникации между континентами через спутники).

Сети на базе низкоорбитальных спутников являются еще одной разновидностью беспроводных сетей, на основе которых в определенный момента может быть создана "всемирная сеть", доступная во всех точках планеты.

Обо всех перечисленных технологиях будет рассказано в этой главе. Однако сначала мы обратимся к истории развития беспроводных сетей и узнаем об их преимуществах.

Краткая история беспроводных сетей и их достоинства

Историю беспроводных сетей можно рассматривать формально и неформально. Неформальным прародителем беспроводных сетей является любительская радиосвязь, операторы которой получают от Федеральной комиссии связи (FCC) лицензии на передачу речи, азбуки "Морзе, данных, спутниковых и видеосигналов с использованием волн радио - и СВЧ-диа-пазонов. Хотя радиолюбительство обычно считается хобби, Федеральная комиссия связи рассматривает его как важный источник идей и опыта для развития коммуникаций.

Примечание

Радиоволны и СВЧ-волны представляют собой один из диапазонов спектра электромагнитных волн, который включает в себя видимый свет, радиоволны, ИК-излучение, рентгеновские лучи, СВЧ-волны (микроволны) и гамма-лучи. Все это – разновидности электромагнитного излучения, которое распространяется в атмосфере Земли и в космосе. Оно имеет и свойства волны, и свойства частицы. Дополнительную информацию о спектре электромагнитных волн можно найти по адресам

http :// imagine . gsfc . nasa . gov / docs / science / knowJ 1/ emspectrum . html и http :// imagine . gsfc . nasa . gov / docs / science / knowJ 2/ emspectrum . html .

В 1980-х годах лицензированные радиолюбители получили от Федеральной комиссии связи разрешение на передачу данных на нескольких радиочастотах в диапазонах от 50,1–54,0 МГц (нижний диапазон) до 1240–1300 МГц (верхний диапазон). Большинству людей эти частоты знакомы, т. к. они используются для передачи музыки радиостанциями AM - и FM-диапазонов. Эти частоты представляют собой лишь малую часть возможных радиочастот, на которых можно передавать сигналы. Основной единицей измерения радиочастоты является герц (Гц) (Hertz (Hz)). В технике одному герцу соответствует один период переменного напряжения или излученного сигнала за секунду.

Примечание

Радиочастоты представляют диапазон волн с частотой свыше 20 кГц, с помощью которых электромагнитный сигнал может излучаться в пространство.

С тех пор, когда в начале 1980-х годов компания IBM создала персональный компьютер, прошло немало времени, пока радиолюбители не связали персональные компьютеры в сеть, используя радиоволны (обычно в более высоких диапазонах 902–928 МГц и 1240–1300 МГц). Для этого они создал устройство, названное контроллером терминального узла (terminal node controller, TNC). Это устройство помещалось между компьютером и приемопередатчиком и служило для преобразования компьютерного цифрового сала в аналоговый сигнал, усиливаемый приемопередатчиком и излучаемый через антенну. Полученная в результате технология была названа пакетной радиосвязью. Обнаруженный радиолюбителями факт, что пакетная радиосвязь хорошо работает на частотах 902 МГц и выше, был вскоре проанализирован компаниями, предоставляющими коммерческие услуги беспроводных сетей. В 1985 году Федеральная комиссия связи разрешила для коммерческого использования в беспроводных компьютерных сетях частотой для промышленных, научных и медицинских приложений (Industrial, ScietfJtitle and Medical, ISM), которые можно применять для маломощных нелицензируемых общедоступных коммуникаций на фиксированных частотах» диапазоне от 902 МГц до 5,825 ГГц. В Телекоммуникационном а 1996 года Конгресс подготовил следующий этап в развитии беспроводный! коммуникаций, закрепив понятие "узел (местоположение) беспроводной связи" и установив для нее стандарты, а также создав стимулы для дальнейшего развития телекоммуникационных технологий, в т. ч. и беспроводный коммуникаций (дополнительную информацию можно найти по адрес www. fcc. gov/telecom. html). Вскоре после этого институт IEEE создал групп по стандартам беспроводных сетей 802.11, которая отвечала за первый стандарт 802.11, установленный в 1997 году. В настоящее время беспроводный сети разрабатываются и внедряются для обеспечения многих потребностей в числе которых можно назвать следующие:

· реализация коммуникаций в тех областях, где сложно развернуть кабельную сеть;

· снижение затрат на развертывание;

· обеспечение "произвольного" доступа тем пользователям, которые не могут быть привязаны к определенному кабельному подключению;

· упрощение процедуры создания сетей в небольших и домашних офисах;

· обеспечение доступа к данным, необходимым в конкретной конфигурации

Почему кабельные сети можно использовать не всегда?

В некоторых ситуациях кабельную сеть развернуть сложно и даже невозможно. Рассмотрим такой сценарий. Два здания нужно связать одной сетью однако между ними проходит федеральное шоссе. В таком случае имеется несколько способов организации сети. Во-первых, можно прорыть траншею под шоссе, для чего потребуются большие расходы и перерывы в движении, вызванные рытьем траншеи, прокладкой кабеля, закапыванием траншеи и полным восстановлением дороги. Во-вторых, можно создать региональную сеть, связывающую два здания. Здания можно подключить к линиям Т-1 или к региональной сети Optical Ethernet, воспользовавшись услугами владельца сети общего пользования или местной телефонной компании. Затраты при этом будут меньше, чем при прокладке нового кабеля, однако аренда телекоммуникационных линий потребует постоянных отчислений. В-третьих, можно развернуть беспроводную сеть, для чего понадобятся единовременные расходы на оборудование, а также появятся текущие издержки на управление сетью. Однако все эти затраты будут, скорее всего, наиболее оправданы, если рассматривать большие отрезки времени.

Рассмотрим еще один сценарий. Арендатору большого офиса необходимо развернуть сеть для 77 сотрудников. Владелец помещения запрещает прокладывать постоянную кабельную систему. Данное помещение во всех смыслах устраивает арендатора, кроме того, плата за него ниже, чем в других альтернативных вариантах. Решением проблемы будет создание беспроводной сети.

И, наконец, третий сценарий. Общедоступная библиотека располагается в историческом месте. Несмотря на то, что эта библиотека принадлежит городу, строгие общественные и частные договоры не позволяют руководству библиотеки получить необходимое разрешение на прокладку сетевого кабеля. Библиотека на много лет отстала в создании электронного каталога книг, поскольку не может связать в сеть компьютеры своих сотрудников и справочную службу для своих клиентов. Поэтому руководство библиотеки может решить свои проблемы, развернув беспроводную сеть, позволяющую сохранить целостность здания и не нарушать никакие договоры.

Экономия средств и времени при использовании беспроводных сетей

Затраты и время на создание беспроводной сети могут оказаться меньшими, чем на развёртывание кабельной сети. Например, в старых зданиях часто имеются опасные материалы, скажем, в старых эксплуатационных шахтах, содержащих ничтожное количество хлора, выделяющегося из воздуховодов и асбеста. Поскольку шахты не используются, их можно просто замуровать. Или же можно начать дорогостоящую программу по удалению опасных материалов, чтобы эти шахты можно было использовать для прокладки сетевого кабеля. В такой ситуации намного дешевле замуровать шахты и вместо кабеля развернуть беспроводную сеть.

Можно рассмотреть случай, когда одному университету потребовалась рабочая сеть, поскольку в его развитие были вложены крупные средства. Университет пригласил дорогую консалтинговую компанию, которая выделила

на проект пять человек и организовала 18 новых рабочих мест. За несколько дней до начала работ руководство университета поняло, что для новых сотрудников и консультантов нет сетевых подключений. Прокладывать новые кабели дорого, да к тому же и невозможно в ближайшие несколько месяцев поскольку IT-отдел университета уже перегружен работой. Выход найден в виде беспроводной сети, которая может быть развернута в рекордно короткое время.

Неограниченный доступ к сети

Некоторым пользователям компьютеров доступ к сети нужен практически из любой точки. Рассмотрим, к примеру, большой склад автомобильных частей, в котором необходимо регулярно проводить ревизии, используя СЩ меры штрих-кодов, подключаемые к сети. Беспроводная сеть дает пользователям таких сканеров возможность неограниченного доступа, поскольку пользователи не привязаны к кабельным подключениям. Еще один пример Врач в больнице может носить с собой небольшой портативный компьютер с адаптером беспроводной связи, с помощью которого можно обновлять иа истории болезни, выписывать направления на анализы или организовывая уход за больными.

Упрощение сетевых технологий для новичков

В сфере компьютеризации небольших или домашних офисов беспроводной сетью, на голову выше кабельной разводки. Сети таких офисов могут быть весьма неудовлетворительном состоянии, поскольку они обычно создаются непрофессионалами. В результате может быть выбран кабель не того типа. Кабель может проходить мимо источников радиопомех и электромагнитных излучения или он может оказаться поврежденным (например, передавши под стулом, столом или в дверном проеме). Поэтому пользователя таком офисе может непродуктивно тратить свое время на поиски неработоспособности сети. В такой ситуации беспроводная сеть может оказаться проще в установке и эксплуатации. Как правило, во многих онлайновых компьютерных магазинах пользователей небольших и домашних офисах спрашивают о том, не хотят ли они приобрести беспроводные устройства для организации сети между купленными компьютерами.

Достоинством беспроводных сетей для такого класса пользователей являет то, что в настоящее время стоимость беспроводных устройств вполне умеренная. Беспроводная сеть в сочетании с возможностью автоматическая назначения IP-адресов в системах Windows 2000 и Windows ХР позволяв создать полноценную домашнюю сеть при наличии минимального опыта или даже при его отсутствии.

Совершенствование доступа к данным

Беспроводные сети позволяют значительно усовершенствовать доступ к некоторым типам данных и прикладным программам. Рассмотрим для примера большой университет, в котором на постоянной основе работают десять аудиторов, посещающих каждый день по нескольку подразделений (и площадок) и нуждающихся в доступе к финансовым данным, отчетам и другой информации, имеющейся в этих подразделениях. При наличии портативного компьютера, снабженного адаптером беспроводной сети, аудитор может легко перемещаться между площадками и иметь постоянный доступ к любым финансовым документам. В качестве другого примера можно рассмотреть инженера-химика, работающего в разных точках химического завода. В одной точке он может наблюдать за данными в ходе некоторой реакции производственного цикла. В другой точке ему может потребоваться номенклатура химикатов, чтобы убедиться в наличии компонентов, нужных для запуска другого производственного процесса. В третьей точке этот инженер может обратиться к онлайновой научной библиотеке компании. Беспроводный доступ позволит ему легко справиться со всеми перечисленными задачами.

Организации, поддерживающие технологии беспроводных сетей

Существует несколько организаций, занимающихся продвижением беспроводных сетей. Одной из таких организаций, являющейся ценным источником информации по беспроводным сетям, является Wireless LAN Association (WLANA ). Эта ассоциация образована производителями устройств беспроводных сетей, а также заинтересованными компаниями и организациями, в числе которых Alvarion, Cisco Systems, ELAN, Intermec, Intersil, Raylink и Wireless Central. Выполните практическое задание 9-1 и познакомьтесь с ситуациями, в которых можно использовать беспроводные локальные сети, а также с информационными ресурсами, предлагаемыми ассоциацией WLANA.

WINLAB (Wireless Information Network Laboratory) – это расположенный в Университете Рутжерса (Rutgers University) центр исследований в области беспроводных сетей, поддерживаемый несколькими университетами. WINLAB спонсируется из фондов National Science Foundation и работает, начиная с 1989 года. Выполнив практическое задание 9-2, вы узнаете о самых последних исследованиях, выполненных лабораторией WINLAB.

Технологии радиосетей

Сетевые данные передаются с помощью радиоволн подобно тому, как вещает местная радиостанция, однако для сетевых приложений используются волны

гораздо более высоких частот. Например, местная радиостанция АМ-диапазона (средние и длинные волны) может вести вещание на частоте 1290 кГц, поскольку интервал частот для широковещания с амплитудной модуляцией составляет 535–1605 кГц. Интервал частот для FM-вещания (УКВ) имеет границы 88–108 МГц. В США сетевые сигналы передаются на более высоких частотах в интервалах 902-928 МГц, 2,4–2,4835 ГГц или 5-5,825 ГГц.

Примечание

Каждый из упомянутых интервалов частот также называется диапазоном: диапазон 902 МГц, диапазон 2,4 ГГц и диапазон 5 ГГц. Диапазон 902 МГц в первую очередь используется в старых нестандартизованных беспроводных устройствах и далее в книге не рассматривается.

В радиосетях сигнал передается в одном или нескольких направлениях в зависимости от типа используемой антенны. В примере, изображенном на рис. 9.1, сигнал является направленным, поскольку он передается от антенны, расположенной на одном здании, к антенне, расположенной на другом здании. Волна имеет очень малую длину и небольшую мощность (если оператор связи не имеет специальной лицензии от Федеральной комиссии связи на многоваттные коммуникации), т. е. она лучше всего подходит для передач в пределах прямой видимости (line-of-sight transmission) с малым радиусом действия.

При передаче в пределах прямой видимости сигнал передается от одной точки к другой, следуя искривлению Земли, а не отражается от атмосферы, пересекая страны и континенты. Недостатком такого типа передачи является наличие преград в виде больших возвышенностей на поверхности Земли (например, холмы и горы). Маломощный (1 – 10 Вт) радиосигнал может передавать данные со скоростью от 1 до 54 Мбит/с и даже выше.

Для передачи пакетов в оборудовании беспроводных радиосетей чаще всего используется технология работы с расширенным спектром (spread spectrum technology), когда для передачи сигнала с большей полосой пропускания задействуются одна или несколько смежных частот. Интервал частот с расширенным спектром очень высок: 902–928 МГц и намного выше. Коммуникации с расширенным спектром обычно обеспечивают передачу данных со скоростью 1–54 Мбит/с.

Коммуникации с использованием радиоволн позволяют сэкономить средства в тех случаях, когда сложно или очень дорого прокладывать кабель. Радиосети особенно полезны, когда используются портативные компьютеры, которые часто перемещаются. По сравнению с другими беспроводными технологиями, радиосети относительно недороги и просты в установке.

Использование радиоволн в коммуникациях имеет несколько недостатков. Многие сети передают данные со скоростью 100 Мбит/с и выше для организации высокоскоростных коммуникаций при пересылке большого трафика (в том числе и больших файлов). Радиосети пока не могут обеспечить коммуникации с такой скоростью. Другим недостатком является то, что некоторые частоты беспроводной связи используются совместно радиолюбителями, военными и операторами сотовых сетей, в результате чего на этих частотах возникают помехи от различных источников. Естественные препятствия (например, холмы) также могут уменьшить или исказить передаваемый сигнал.

Одна из основных технологий радиосетей описана стандартом IEEE 802.11. Также используются и другие технологии, в число которых входят Bluetooth, HiperLAN и HomeRF Shared Wireless Access Protocol (SWAP). Все эти технологии будут рассмотрены в следующих разделах этой главы.

Радиосети стандарта IEEE 802.11

Для реализации беспроводных коммуникаций используются различные типы радиосетей, однако в плане совместимости и надежности значительные преимущества имеет стандарт IEEE 802.11. Многие пользователи беспроводных сетей применяют устройства, отвечающие этому стандарту, поскольку такие устройства не связаны с нестандартизованными коммуникациями (особенно в нижнем и медленном диапазоне 902–928 МГц, типичном для старых беспроводных устройств) и устройства стандарта 802.11, выпущенные разными производителями, являются взаимозаменяемыми. Такие устройства отвечают открытому стандарту, поэтому различные модели могут взаимодействовать друг с другом, и в них легче реализовать новые функции беспроводной связи. Поэтому разработчику беспроводных сетей важно понимать стандарт IEEE 802.11 и принципы работы устройств, соответствующих этому стандарту.

Стандарт IEEE 802.11 также носит название IEEE Standard for Wireless LANledium Access (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. Этот стандарта распространяется на стационарные и мобильные станции беспроводным коммуникаций. Стационарной называется станция, которая не перемещается мобильной называется станция, которая может перемещаться быстро, или медленно, как шагающий человек.

Стандарт 802.11 предусматривает два типа коммуникаций. Первый тип синхронные коммуникации, когда передача данных происходит отдельны блоками, начало которых отмечено стартовым разрядом, а конец – стоповым разрядом. Ко второму типу относятся коммуникации, осуществляет в определенных временных рамках, когда сигналу дается определенной для достижения точки назначения, а если сигнал не укладывается Я >то время, то он считается потерянным или искаженным. Временные ограничения делают стандарт 802.11 похожим на стандарт 803.11, согласно которому сигнал также должен достигнуть заданного целевого узла за указанной время. Стандарт 802.11 предусматривает поддержку служб управления сеть пример, протокола SNMP). Также обеспечивается аутентификация сети, стандарт 802.11 ориентирован на использование Канального и Физического уровней модели OSI. На MAC - и LLC-подуровнях Канального уровня определены стандарты на метод доступа (о котором будет рассказано далее этой главе), адресацию и способы проверки данных с использованием контрольных сумм (CRC). На Физическом уровне стандарт 802.11 определял скорости передачи данных на заданных частотах. Также предусмотрены методы (например, технологии с расширенным спектром) для передачи цифровых сигналов с помощью радиоволн и ИК-излучения.

С точки зрения рабочей среды стандарт 802.11 различает беспроводный коммуникации в помещении (комнатные) и на открытом воздухе (наруби). Комнатные коммуникации могут, к примеру, осуществляться в здания офиса, промышленной зоне, магазине или частном доме (т. е. везде, где не распространяются дальше отдельного здания). Наружные коммуникаций могут выполняться в пределах университетского кампуса, спортивной площадки или автостоянки (т. е. там, где передача информации ведется меж зданиями). Далее вы познакомитесь со следующими аспектами, касающимися функционирования беспроводных сетей стандарта 802.11:

· беспроводные компоненты, используемые в сетях IEEE 802.11;

· методы доступа в беспроводных сетях;

· способы обнаружения ошибок при передаче данных;

· коммуникационные скорости, используемые в сетях IEEE 802.11;

· методы обеспечения безопасности;

· использование аутентификации при разрыве соединения;

· топологии сетей IEEE 802.11;

· использование многоячеечных беспроводных локальных сетей.

Компоненты беспроводной сети

В реализации беспроводных коммуникаций обычно участвуют три основных компонента: плата, выполняющая функции приемника и передатчика (трансивера), точка доступа и антенны.

Плата трансивера называется адаптером беспроводной сети (wireless NIC, WNIC), который функционирует на Физическом и Канальном уровнях модели OSI. Большинство таких адаптеров совместимы со спецификациями Network Interface Specification, NDIS (компания Microsoft) и Open Datalink Interface, ODI (компания Novell). Как вы уже знаете из главы 5, обе эти спецификации позволяют передавать по сети несколько протоколов и служат для связи компьютера и его операционной системы с WNIC-адаптером.

Тонка доступа (access point) представляет собой некоторое устройство, подключенное к кабельной сети и обеспечивающее беспроводную передачу данных между WNIC-адаптерами и этой сетью. Как говорилось в главе 4, точка доступа обычно является мостом. Она может иметь один или несколько сетевых интерфейсов перечисленных ниже типов, позволяющих подключить ее к кабельной сети:

· 100BaseTX, 100BaseT, 100BaseT2 и 100BaseT4;

Совет

В настоящее время некоторые поставщики беспроводных сетей предлагают точки доступа с возможностями маршрутизаторов.

Антенна – это устройство, посылающее (излучающее) и принимающее радиоволны. И WNIC-адаптеры, и точки доступа оборудованы антеннами. Большинство антенн беспроводных сетей являются или направленными, или всенаправленными.

Совет

При покупке устройств стандарта 802.11 посмотрите, сертифицированы ли они союзом Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), в который входят свыше 150 компаний, выпускающих беспроводные устройства. Более подробную ин формацию об этом союзе можно получить на веб-сайте www . wi - fi . com .

Направленная антенна

Направленная антенна посылает радиолучи в одном главном направлении обычно может усиливать излучаемый сигнал в большей степени, чем всенаправленная антенна. Величина усиления излученного сигнала называется коэффициентом усиления (gain). В беспроводных сетях направленные антенна обычно применяются для передачи радиоволн между антеннами, располагающимися на двух зданиях и подключенными к точкам доступа (рис. 9.2) такой конфигурации направленная антенна обеспечивает передачу на больших расстояниях по сравнению с всенаправленной антенной, поскольку она, вероятнее всего, излучает более сильный сигнал (с большим коэффициентом усиления) в одном направлении. Рассматривая рис. 9.2, обратите внимание на то, что на самом деле антенна излучает сигнал не только в одном правлении, т. к. часть сигнала рассеивается по сторонам.

Примечание

Для знакомства с компонентами беспроводных сетей выполните практическое задание 9-3. Кроме того, в практических заданиях 9-4 и 9-5 рассказывается о том, как установить WNIC-адаптер в системах Windows 2000 и Windows ХP Professional. В практическом задании 9-6 вы узнаете о том, как установить там кой адаптер в системе Red Hat Linux 7. x .

Всенаправленная антенна

Всенаправленная антенна излучает радиоволны во всех направлениях. Поскольку сигнал рассеивается больше, чем при использовании направленной антенны, он, по всей видимости, будет иметь и меньший коэффициент усиления. В беспроводных сетях всенаправленные антенны часто применяются в комнатных сетях, в которых пользователи постоянно перемешаются и сигналы нужно передавать и принимать во всех направлениях. Кроме того, в таких сетях, как правило, не нужно, чтобы коэффициент усиления сигнала был таким же высоким, как в наружной сети, поскольку расстояния между беспроводными устройствами в помещении намного меньше. На рис. 9.3 показана беспроводная сеть, использующая всенаправленные антенны

Рис. 9.3. Всенаправленные антенны

WNIC-адаптер для портативных устройств (например, портативных, карманных и планшетных компьютеров) может снабжаться небольшой схемной всенаправленной антенной. Точка доступа для локальной комнатной сети может иметь съемную всенаправленную антенну или же антенну, подключаемую к точке доступа с помощью кабеля. Точка доступа для наружной сети, соединяющей два здания, обычно имеет антенну с высоким коэффициентом усиления, которая подключается к точке доступа по кабелю.

Методы доступа в беспроводных сетях

Стандарт 802.11 предусматривает два метода доступа: доступ в порядке приоритетов и множественный доступ с контролем несущей и предотвращен ем конфликтов. Оба этих метода работают на Канальном уровне.

При использовании доступа в порядке приоритетов (priority-based access точка доступа также выполняет функции точечного координатора, который задает период без возникновения конфликтов, в течение которого станций) (помимо самого координатора) не могут работать на передачу, не обратившись сначала к координатору. В течение этого периода координатор поочередно опрашивает станции. Если некоторая станция посылает короткий пакет, указывающий на то, что ее нужно опросить, поскольку у нее имеет сообщение на передачу, точечный координатор помещает эту станцию свой опросный лист . Если некоторая станция не опрашивается, координатор посылает ей сигнальный фрейм, указывающий на то, сколько нужно ждать до начала следующего периода без возникновения конфликтов. этого станции, входящие в опросный лист, поочередно получают право осуществление коммуникаций. Когда все эти станции получили возможность передать данные, сразу же задается следующий период без возникновения конфликтов, в течение которого координатор снова опрашивает укажет станцию, определяя необходимость включения в опросный лист станции ждущих возможности передачи.

Доступ в порядке приоритетов предназначается для коммуникаций, требующих малых задержек пересылки информации. К таким типам коммуникаций обычно относится передача речи и видеоизображений, а также организация видеоконференций – т. е. такие приложения, которые лучше всего работают в непрерывном режиме. Согласно стандарту 802.11 доступ в рядке приоритетов также называется функцией точечной координации

Чаще в беспроводных сетях применяется множественный доступ с контро лем несущей и предотвращением конфликтов (Carrier Sense Multiple Аccess with Collision Avoidance, CSMA/CA), который также называется функции распределенной координации (distributed coordination function). В этом случае станция, ожидающая возможности передачи, прослушивает частоту коммуникаций и определяет ее занятость, проверяя уровень индикатора мощности сигнала в приемнике (Receiver Signal Strength Indicator, RSSI). В 14 момент, когда передающая частота свободна, наиболее вероятно конфликтов между двумя станциями, которые одновременно захотят начать передачу. Как только передающая частота освобождаете! каждая станция ждет несколько секунд (число которых определяется параметром DIPS), чтобы убедиться в том, что частота остается незанятой. DIFS – это аббревиатура от термина Distributed coordination function"s In-tra-Frame Space (интервал между фреймами функции распределенной координации), который определяет заранее установленное время обязательного ожидания (задержки).

Если станции ожидают в течение времени, определенного интервалом DIFS, вероятность возникновения конфликта между станциями уменьшается, поскольку для каждой станции, требующей передачи, вычисляется разное значение времени задержки (отсрочки), по истечении которого станция снова будет проверять занятость передающей частоты. Если частота остается незанятой, то передачу начинает станция, имеющая минимальное время отсрочки. Если частота оказывается занятой, то станция, требующая передачи, ждет пока частота не освободится, после чего простаивает еще в течение уже вычисленного времени отсрочки.

При определении времени отсрочки длительность заранее заданного интервала времени умножается на случайное число. Временной интервал – это некоторое значение, хранящееся в базе управляющей информации (MIB), имеющейся на каждой станции. Значение случайного числа лежит в диапазоне от нуля до величины максимального размера окна конфликтов, который также хранится в базе управляющей информации станции. Таким образом, для каждой станции, ожидающей передачи, определяется уникальное время отсрочки, что позволяет станциям избегать конфликтов.

Обработка ошибок передачи данных

Коммуникации в беспроводных сетях зависят от погодных условий, солнечных бликов, других беспроводных коммуникаций, естественных препятствий и других источников помех. Все эти помехи могут нарушить успешный прием данных. Стандартом 802.11 предусмотрен автоматический запрос на повторение (automatic repeat-request, ARQ), который позволяет учитывать возможность появления ошибок передачи.

Если при использовании ARQ-запросов станция, отправившая пакет, не получает подтверждения (АСК) от целевой станции, то она автоматически повторяет передачу пакета. Количество повторов, сделанных передающей станцией до того момента, как она определит невозможность доставки пакета, зависит от размера пакета. Каждая станция хранит две величины: максимальный размер короткого пакета и размер длинного пакета. Кроме этого, имеются два дополнительных параметра: количество повторов для отправки Короткого пакета и количество повторов для длинного пакета. Анализ всех этих значений позволяет станции принять решение о прекращении повторных передач некоторого пакета.

В качестве примера обработки ошибок с использованием ARQ-запросов рассмотрим станцию, для которой короткий пакет имеет максимальную длину 776 байт, а количество повторов для короткого пакета равно 10. Допустим, что станция передает пакет длиной 608 байт, но не получает подтверждения от принимающей станции. В этом случае передающая станция будет 10 раз передавать этот пакет повторно при отсутствии подтверждения. После 10 неудачных попыток (т. е. не получив подтверждения) станция прекратит передавать этот пакет.

Скорости передачи

Скорости передачи и соответствующие частоты сетей 802.11 определяются двумя стандартами: 802.11а и 802.1111b. Коммуникационные скорости, указанные в этих стандартах, относятся к Физическому уровню модели OSI.

Для беспроводных сетей, работающих в диапазоне 5 ГГц, стандарт 802.11 предусматривает следующие скорости передачи данных:

· 6 Мбит/с;

· 24 Мбит/с;

· 9 Мбит/с;

· 36 Мбит/с; "

· 12 Мбит/с;

· 48 Мбит/с;

· 18Мбит/с;

· 54 Мбит/с.

Примечание

Все устройства, отвечающие стандарту 802.11а, должны поддерживать скорости 6, 12 и 24 Мбит/с. Стандарт 802. Па реализуется на Физическом уровне модели OSI и для передачи информационных сигналов с использованием радиоволн предусматривает применение ортогонального мультиплексирования каналов, разделенных частоте (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). При работе данному методу мультиплексирования 5-гигагерцовый диапазон частот делится на 52 субнесущие (52 подканала). Данные разбиваются между этими субнесущими и передаются одновременно по всем 52 субнесущим. Такие передачи называются параллельными. Четыре субнесущих используются для управления коммуникациями, а 48 передают данные. Стандарт 802.11b используется в диапазоне частот 2,4 ГГц, им предусмотрены следующие коммуникационные скорости: "

· 1 Мбит/с;

· 10Мбит/с;

· 2 Мбит/с;

· 11Мбит/с.

Примечание

На момент написания книги ожидалось утверждение расширения стандарта 802.11Ь, получившее название 802.11 д. Стандарт 802.11д позволяет передавать данные в диапазоне 2,4 ГГц со скоростями до 54 Мбит/с.

В стандарте 802.11b используется модуляция с прямой последовательностью и расширенным спектром (Direct sequence spread spectrum modulation, DSSS), которая представляет собой способ передачи информационных сигналов с применением радиоволн и относится к Физическому уровню. При DSSS-модуляции данные распределяются между несколькими каналами (общим числом до 14), каждый из которых занимает полосу 22 МГц. Точное число каналов и их частоты зависят от страны, в которой осуществляются коммуникации. В Канаде и США используются 11 каналов в диапазоне 2,4 ГГц. В Европе число каналов равно 13, за исключением Франции, где задействуются только 4 канала. Информационный сигнал передается поочередно в каналы и усиливается до значений, достаточных для превышения уровня помех.

На момент написания книги стандарт 802.11а предлагал большие скорости, чем стандарт 802.11b. Однако увеличение скорости достигается за счет уменьшения рабочих расстояний. В настоящее время устройства стандарта 802.11а могут передавать данные на расстояние до 18 м, в то время как устройства стандарта 802.11b работоспособны на расстояниях до 90 м. Это означает, что если вы используете устройства 802.На, то для увеличения общей рабочей зоны взаимодействующих устройств вам нужно будет приобрести больше точек доступа.

Помимо скорости, преимуществом стандарта 802. Па является то, что полный интервал имеющихся для него частот диапазона 0,825 ГГц почти в два раза превышает интервал частот диапазона 0,4835 ГГц для стандарта 802.11b. Это означает, что в процессе вещания можно передать намного больше данных, поскольку чем шире интервал частот, тем больше информационных каналов, по которым передаются двоичные данные.

Для приложений, требующих большей полосы пропускания (например, для передачи речи и видеоизображений) планируйте использование устройств стандарта 802. Па. Кроме того, рассматривайте возможность применения таких устройств в тех ситуациях, когда в пределах небольшой зоны (например, в компьютерной лаборатории) имеется большое количество пользователей. Более высокая полоса пропускания позволит всем клиентам сети работать лучше и быстрее.

Область применения устройств стандарта 802.11b охватывает те конфигурации, когда наличие высокой полосы пропускания не столь важно (например, для коммуникаций, предназначенных преимущественно для передач данных). Кроме того, стандарт 802.11b хорошо подходит для малобюджетных проектов, поскольку для него нужно меньше точек доступа, чем при использовании стандарта 802.11а. Это объясняется тем, что стандарт 802.11а обеспечивает более широкую рабочую зону (до 90 м против 18 м, допускаемых стандартом 802.11а). В настоящее время стандарт 802.11b используется чаще, чем 802.11а, поскольку сети на его основе дешевле в реализации, а на рынке более широко представлена номенклатура предназначенных для нее устройств (выпуск которых, к тому же, был начат раньше). Характеристик стандартов 802.11а и 802.11b представлены в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Характеристики стандартов 802.11а и 802.11 b

	802.11 а	802.11Ь
Рабочая частота
Рабочие скорости (полоса пропус кания)	6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Мбит/с	1, 2, 10, 11 Мбит/с
Метод коммуни каций	Ортогональное мультиплексирование деления частоты (Orthogonal Frequency Division spread spectrum Multiplexing, OFDM)	Модуляция с прямой последовательностью и расширенным спектром (Direct sequence modulation DSSS)
Максимальное рабочее расстояние в настоящее время
Стоимость реали зации	Относительно высокая из-за необходимости в дополнительных точках доступа	Относительно низкая из-за использования небольшого количества точек доступа

Методы обеспечения безопасности,

Безопасность так же важна в беспроводных сетях, как и в кабельных. Стандарт 802.11 предусматривает два механизма обеспечения безопасности: аутентификацию открытых систем и аутентификацию с общим ключом. При использовании аутентификации открытых систем (open system authentication) любые две станции могут аутентифицировать друг друга. Передающая станция попросту посылает целевой станции или точке доступа запрос: на аутентификацию. Если целевая станция подтверждает запрос, это означает завершение аутентификации. Такой метод аутентификации не обеспечивает достаточной безопасности, и вы должны знать, что в устройствах, выпускаемых многими производителями, он используется по умолчанию.

Гораздо лучшую защиту обеспечивает аутентификация с общим ключом (shared key authentication), поскольку в ней реализуется Wired Equivalent Pri vacy (WEP ). При использовании этого механизма защиты две станции (например, WNIC-адаптер и точка доступа) работают с одним и тем же ключом шифрования, генерируемым WEP-службами. Ключ шифрования WEP представляет собой некий 40- или 104-битный ключ с добавлением контрольной суммы и инициирующей информации, что в результате определяет общую длину ключа, равную 64 или 104 разрядам.

При использовании аутентификации с общим ключом и WEP одна станция обращается к другой с запросом на аутентификацию. Вторая станция отсылает обратно некоторый специальный текстовый запрос. Первая станция шифрует его с помощью ключа шифрования WEP и посылает зашифрованный текст второй станции, которая расшифровывает его, используя тот же самый WEP-ключ, и сравнивает полученный текст с посланным изначально текстовым запросом. Если оба текста совпадают, вторая станция аутентифицирует первую и коммуникации продолжаются.

Использование аутентификации при разрыве соединения

Еще одной функцией аутентификации является разрыв соединения после того, как заканчивается сеанс коммуникаций. Процесс аутентификации при разрыве соединения важен потому, что две взаимодействующие станции не могут быть случайно разъединены другой, не аутентифицированной, станцией. Соединение между двумя станциями разрывается, если одна из них посылает извещение об отказе в аутентификации. В этом случае коммуникации мгновенно прекращаются.

Топологии сетей IEEE 802.11

Стандартом 802.11 предусмотрены две основные топологии. Самой простой является топология с набором независимых базовых служб (Independent Basic Service Set (IBSS) topology), образуемая двумя или несколькими станциями беспроводной связи, которые могут взаимодействовать друг с другом. Сеть такого типа в некоторой степени непредсказуема, поскольку новые станции часто появляются неожиданно. IBSS-топология образуется произвольными одноранговыми (равноправными) коммуникациями между WNIC-адаптера ми отдельных компьютеров (рис. 9.4).

По сравнению с IBSS-топологией, топология с расширенным набором (Extended service set (ESS) topology) имеет большую область обслуживание т. к. в ней имеется одна или несколько точек доступа. На базе ESS-топологии можно создать небольшую, среднюю или большую сеть и значительна! расширить зону беспроводных коммуникаций. ESS-топология показана рис. 9.5.

Если вы используете устройства, совместимые со стандартом 802.11, сеть и IBSS-топологией несложно преобразовать в сеть на основе ESS-топологии. Однако не следует сети с разными топологиями располагать поблизости, т. к. одноранговые IBSS-коммуникации ведут себя нестабильно в присутстствии точек доступа, используемых в ESS-сети. Также могут нарушиться коммуникации и в ESS-сети. "

Совет

Дополнительную информацию о стандарте IEEE 802.11 можно получить на веб-сайте IEEE по адресу www. ieee. org. На этом сайте можно заказать полную копию этого стандарта.

Многоячеечные беспроводные локальные сети

Когда в сети на основе ESS-топологии используются две или несколько точек доступа, такая сеть превращается в многоячеечную беспроводную локаль ную сеть (multiple-cell wireless LAN). Широковещательная область вокруг некоторой точки в такой топологии называется ячейкой (cell). Если, к примеру, комнатная сеть внутри здания имеет пять точек доступа, то в этой сети пять ячеек. Кроме того, если все пять ячеек сконфигурированы одинаково (имеют одну рабочую частоту, одинаковую скорость передачи и общие параметры безопасности), то персональный компьютер или ручное устройство, оборудованное WNIC-адаптером, можно перемещать от одной ячейки к другой. Этот процесс называется роумингом (roaming).

В качестве примера роуминга в беспроводной ESS-топологии рассмотрим университетский факультет, в котором развернута беспроводная сеть, имеющая пять точек доступа, связанных с ячейками с номерами от I до V.1 Ячейка I может принадлежать библиотеке. Ячейки II и III могут охватывать зону преподавательских офисов. Ячейка IV может находиться в офисе администрации, а ячейка V может располагаться в учебной лаборатории. Если все ячейки сконфигурированы одинаково, любой студент, преподаватели или служащий офиса может перемещать портативный компьютер, оборудованный WNIC-адаптером, от одной ячейки к другой, сохраняя при этом доступ к сети факультета. Хотя стандартом 802.11 и не предусмотрена спецификация для протокола роуминга, производители беспроводных устройств разработали один подобный протокол, названный Inter - Access Point Protocol (IAPP ), который в основных моментах отвечает этому стандарту. Протокол IAPP позволяет мобильной станции перемещаться между ячейками, не теряя соединения сетью. Для обеспечения коммуникаций с роумингом IAPP инкапсулируем протоколы UDP и IP.

Примечание

Как вы уже знаете из главы 6, User Datagram Protocol (UDP) представляет coбой протокол без установления соединений, который может использоваться сочетании с протоколом IP вместо TCP, являющегося протоколом с установлением соединений.

Протокол IAPP позволяет оповестить имеющиеся точки доступа о подключении к сети нового устройства, а также позволяет смежным точкам доступе обмениваться между собой конфигурационной информацией. Кроме того протокол предоставляет некоторой точке доступа, обменивающейся данными с мобильной станцией, возможность автоматической передачи сведении об исходном подключении (включая любые данные, ожидающие отправки другой точке доступа в тех случаях, когда мобильная станция перемещается от ячейки, обслуживаемой первой точкой доступа, к ячейке, связанной си второй точкой доступа.

Альтернативные технологии радиосетей

К числу самых распространенных коммуникационных технологий с использованием радиоволн относятся следующие технологии, альтернативные стандарту IEEE 802.11:

· HomeRF Shared Wireless Access Protocol (SWAP).

Каждая перечисленная технология представляет собой спецификацию беспроводных сетей и поддерживается определенными производителями. Все эти технологии рассматриваются в следующих разделах.

Bluetooth

Bluetooth – это технология беспроводной связи, описанная особой группой Bluetooth Special Interest Group. Данная технология привлекла внимание таких производителей, как 3Com, Agere, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia и Toshiba. В ней используется перестройка частоты в диапазоне 2,4 ГГц (2,4–2,4835 ГГц), выделенном Федеральной комиссией связи для нелицензируемых ISM-коммуникаций2. Метод перестройки частоты предполагает изменение несущей частоты (выбирается одна из 79 частот) для каждого передаваемого пакета. Достоинством этого метода является уменьшение вероятности возникновения взаимных помех в случаях одновременной работы нескольких устройств.

При использовании многоваттных коммуникаций технология Bluetooth обеспечивает передачу данных на расстояния до 100 м, однако на практике большинство устройств Bluetooth работают на расстоянии до 9 м. Обычно используются асинхронные коммуникации со скоростью 57,6 или 721 Кбит/с. Устройства Bluetooth, обеспечивающие синхронные коммуникации, работают со скоростью 432,6 Кбит/с, однако такие устройства менее распространены.

В технологии Bluetooth применяется дуплексная передача с временным разде лением каналов (time division duplexing, TDD), при которой пакеты передаются в противоположных направлениях с использованием временных интервалов. Один цикл передачи может задействовать до пяти различных временных интервалов, благодаря чему пакеты могут передаваться и приниматься одновременно. Этот процесс напоминает дуплексные коммуникации. Одновременно могут взаимодействовать до семи устройств Bluetooth (некоторые производители утверждают, что их технологии обеспечивают подключение восьми устройств, однако это не соответствует спецификациям). Когда устройства обмениваются информацией, одно из них автоматически выбирается ведущим (master). Это устройство определяет функции управления (например, синхронизацию временных интервалов и управление пересылками). Во всех других аспектах коммуникации Bluetooth напоминают одноранговую сеть.

Совет

Узнать больше о технологии Bluetooth можно на официальном веб-сайте по адресу www . bluetooth . com . Выполните практическое задание 9-7, в котором вы познакомитесь с веб-сайтом Bluetooth, где описаны области применения Blue-tooth для беспроводных коммуникаций с универсальным доступом.

HiperLAN

Технология HiperLAN была разработана в Европе, и в настоящее время существует ее вторая версия, названная HiperLAN2. Эта технология использует диапазон 5 ГГц и обеспечивает скорости передачи данных до 54 Мбит/с. Помимо скорости, достоинством HiperLAN2 является совместимость с коммуникациями Ethernet и ATM.

Технология HiperLAN2 поддерживает Data Encryption Standard (DES ) – стандарт шифрования данных, разработанный институтами National Institute on Standards and Technology (NIST) (Национальный институт стандартов и технологий) и ANSI. В нем используется открытый (public) ключ шифрования, доступный для просмотра всеми сетевыми станциями, а также частный. (private) ключ, выделяемый только передающим и принимающим станциям. Для дешифрации данных необходимы оба ключа.

Технология HiperLAN2 обеспечивает качество обслуживания (QoS), предоставляя гарантированный уровень коммуникаций для различных классов обслуживания (например, для передачи речи или видеоизображений). Это возможно благодаря тому, что точки доступа централизованно управляют беспроводными! коммуникациями, и планируют все сеансы передачи информации.

Сеть HiperLAN2 работает в двух режимах. Непосредственный режим (directlmode) представляет собой топологию одноранговой сети (подобную 1В58 топологии в сетях 802.11), которая образуется только взаимодействующим станциями. Другой режим называется централизованным (centralized mode) поскольку он реализуется в больших сетях, где имеются точки доступа, концентрирующие сетевой трафик и управляющие им. Методом коммуникаций для обоих режимов служит дуплексная передача с временным разделением каналов (TDD) – та же технология, которая применяется в Bluetooth.

Совет

Для более близкого знакомства с HiperLAN2 посетите веб-сайт www . hiperian 2. com .

HomeRF Shared Wireless Access Protocol (SWAP) (Протокол совместного беспроводного доступа HomeRF) – это технология, поддерживаемая такими компаниями, как Motorola, National Semiconductor, Proxim и Siemens. Эта

технология работает в диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивает скорость в сети до 10 Мбит/с. В качестве метода доступа она использует CSMA/CA (как и стандарт 802.11) и предназначена для домашних сетей, где передаются данные, речь, видеоизображения, мультимедийные потоки и другая информация.

Примером типичного использования технологии HomeRF SWAP является беспроводная сеть, объединяющая несколько персональных компьютеров и обеспечивающая им доступ в Интернет. Другой областью применения является реализация беспроводных соединений для центров развлечений (например, для связи друг с другом нескольких телевизоров и стереосистем). Сеть HomeRF SWAP может связать между собой несколько телефонов. Также с ее помощью можно обеспечить связь между устройствами управления домом (освещением, кондиционерами, кухонными агрегатами и т. д.). Для обеспечения безопасности в сетях HomeRF SWAP используется 128-битное шифрование данных и 24-разрядные сетевые идентификаторы.

На момент написания книги в процессе разработки находилась технология HomeRF SWAPS, обеспечивающая коммуникации со скоростью 25 Мбит/с. Создатели этой технологии стремятся к тому, чтобы встроить ее в телевизоры и мультимедийные серверы с целью расширения возможностей сложных видеосистем.

(Совет)

Более детально познакомиться с HomeRF SWAP можно на сайте www . homerf . org .

Сетевые технологии с использованием инфракрасного излучения

Инфракрасное (И К) излучение (infrared) можно использовать в качестве передающей среды для сетевых коммуникаций. Вы хорошо знакомы с этой технологией, благодаря пультам дистанционного управления для телевизоров и стереосистем. ИК-излучение представляет собой электромагнитный сигнал, подобно радиоволнам, однако его частота ближе к диапазону видимых электромагнитных волн, называемых видимым светом.

ИК-излучение может распространяться либо в одну сторону, либо во всех направлениях, при этом светодиод (LED) используется для передачи, а фотодиод – для приема. ИК-излучение относится к Физическому уровню, его частота составляет 100 ГГц – 1000 ТГц (терагерц), а длина электромагнитной волны лежит в диапазоне от 700 до 1000 нанометров (нм, 10~9).

Подобно радиоволнам, ИК-излучение может оказаться недорогим решением в случае невозможности прокладки кабеля или при наличии мобильных пользователей. Его преимущество заключается в том, что ПК-сигнал сложно перехватить незаметно. Другим достоинством является устойчивость ИКЦ сигнала к радио - и электромагнитным помехам. Однако эта коммуникационная среда имеет и ряд существенных недостатков. Во-первых, при направленных коммуникациях скорость передачи данных не превышает 16 Мбит/с, а при всенаправленных коммуникациях эта значение меньше, чем 1 Мбит/с. Во-вторых, ИК-излучение не проходив сквозь стены, в чем несложно убедиться, попробовав управлять телевизором с пульта дистанционного управления из другой комнаты. С другой стороны этот недостаток оборачивается достоинством, т. к. из-за ограниченности области распространения коммуникации с использованием ИК-сигналов делаются более безопасными. В-третьих, инфракрасная связь может подвергаться помехам со стороны сильных .

Совет

В инфракрасных технологиях могут использоваться точки доступа, позволяющие расширять рабочую область и создавать крупные сети.

При передаче информации с помощью рассеянного инфракрасного излучения (diffused infrared) посланный ИК-сигнал отражается от потолка, как показано на рис. 9.6. Для таких коммуникаций существует стандарт IEEE 802. предусматривающий работу на расстоянии от 9 до 18 м в зависимости высоты потолка (чем выше потолок, тем меньше область охвата сети). Для рассеянного ИК-излучения этим стандартом определены скорости передачи данных, равные 1 и 2 Мбит/с. Длины волн рассеянного ИК-сигнала, ИСЩ пользуемого в стандарте 802.11R, лежат в диапазоне 850–950 нм (из всех диапазона ИК-лучей, составляющего 700–1000 нм). Для сравнения, видимый свет имеет диапазон длин волн, приблизительно равный 400–700 Мегагерц. Максимальная оптическая излучаемая мощность сигнала согласно стандарт 802.11R составляет 2 Вт.

Совет

Хотя рассеянные ИК-сигналы не подвержены радио - и электромагнитным помехам, окна в зданиях могут создавать помехи, поскольку эти сигналы чувствительны к сильным источникам света. Учтите наличие окон при проектирования беспроводной сети с использованием рассеянного ИК-излучения.

Метод передачи сигналов, использованный стандартом IEEE 802.11R, называется фазоимпульсной модуляцией (Pulse position modulation, PPM). Согласно этому методу, двоичное значение сигнала связывается с расположением импульса в наборе возможных положений в спектре электромагнитного излучения. Для коммуникаций со скоростью 1 Мбит/с стандарт 802.11R предусматривает шестнадцать возможных положений импульса (16-РРМ), этом каждое положение представляет четыре двоичных разряда. При коммуникациях со скоростью 2 Мбит/с каждый импульс представляет два разряда, и возможных положений импульса всего четыре (4-РРМ). Импульс в определенной позиции указывает на то, что некоторое значение присутствует, а отсутствие импульса означает, что значения нет. РРМ – это метод символьного кодирования, напоминающий двоичное кодирование в том смысле, что в нем используются только нули и единицы.

Микроволновые сетевые технологии

Микроволновые системы работают в двух режимах. Наземные сверхвысокочастотные (СВЧ) каналы (terrestrial microwave) передают сигналы между двумя направленными параболическими антеннами, которые имеют форму тарелки (рис. 9.7). Такие коммуникации осуществляются в диапазонах частот 4–6 ГГц и 21–23 ГГц и требуют, чтобы оператор связи получал лицензию от Федеральной комиссии связи (FCC).

Спутниковые микроволновые системы передают сигнал между тремя антеннами, одна из которых располагается на спутнике Земли (рис. 9.8). Спутники в таких системах находятся на геосинхронных орбитах на высоте 35000 км над Землей. Чтобы некоторая организация могла использовать такую технологию связи, она должна либо запустить спутник, либо арендовать канал у компании, предоставляющей подобные услуги. Из-за больших расстояний задержки: при передаче составляют от 0,5 до 5 секунд. Коммуникации ведутся в диапазоне частот 11–14 ГГц, которые требуют лицензирования.

Как и другие среды беспроводной связи, микроволновые технологий используются тогда, когда кабельные системы стоят слишком дорого или если прокладка кабеля невозможна. Наземные СВЧ-каналы могут оказаться хорошим решением при прокладке коммуникаций между двумя большими зданиями в городе. Спутниковые системы связи являются единственно возможным способом объединения сетей, находящихся в разных странах или на разных континентах, однако это решение очень дорогое.

Микроволновые коммуникации имеют теоретическую полосу пропускания до 720 Мбит/с и выше, однако на практике в настоящее время скорости обычно лежат в диапазоне 1–10 Мбит/с. Микроволновые системы связи имеют некоторые ограничения. Они дороги и сложны в развертывании и эксплуатации. Качество микроволновых коммуникаций может ухудшаться из-за условий атмосферы, дождя, снега, тумана и радиопомех. Более того, микроволновый сигнал может быть перехвачен, поэтому при использовании данной передающей среды особо важное значение имеют средства аутентификации и шифрования.

Беспроводные сети на базе низкоорбитальных спутников Земли

Орбиты спутников связи находятся на расстоянии примерно 30000 км над Землей. Из-за большого удаления этих спутников и возмущений в верхних слоях атмосферы могут возникать задержки в передаче сигнала, которые недопустимы для коммуникаций с высокими требованиями к этому параметру связи (в т. ч. для передачи двоичных данных и мультимедиа).

В настоящее время несколько компаний разрабатывают низкоорбитальные спутники (Low Earth Orbiting (LEO) satellite), орбиты которых должны находиться на расстоянии от 700 до 1600 км от поверхности Земли, что должно ускорить двустороннюю передачу сигналов. Из-за своей более низкой орбиты LEO-спутники охватывают меньшие территории, и, следовательно, для того чтобы полностью покрыть поверхность планеты, необходимо около тридцати LEO-спутников. В настоящее время компании Teledesic, Motorola и Boeing разрабатывают сеть таких спутников, с помощью которых Интернет и другие услуги глобальных сетей станут доступными в любой точке Земли. Пользователи взаимодействуют с LEO-спутниками при помощи специальных антенн и аппаратуры декодирования сигналов. Начиная с 2005 года, LEO-спутники можно будет использовать в следующих областях:

· широковещательные интернет-коммуникации; проведение всепланетных видеоконференций;

· дистанционное обучение;

· другие коммуникации (передача речи, видео и данных).

Ожидается, что скорости коммуникаций на базе LEO-спутников составят от 128 Кбит/с до 100 Мбит/с для восходящих потоков (к спутнику) и до

720 Мбит/с для нисходящих потоков (от спутника). LEO-спутники используют ультравысокие частоты, утвержденные Федеральной комиссией связи в США и аналогичными организациями в разных частях света. Электромагнитный спектр коммуникаций с использованием LEO-спутников также одобрен союзом ITU. Рабочие частоты лежат в диапазоне 28,6–29,1 ГГц дли восходящих каналов и 18,8–19,3 ГГц для. нисходящих каналов. Когда эта сеть войдет в эксплуатацию (архитектура сети представлена на рис. 9.9), руководитель проекта, например, из Бостона сможет проводить видеоконференции или обмениваться важными двоичными файлами с исследователем живущим в горной хижине в Вайоминге, а хозяин животноводческой фермы из Аргентины сможет обращаться за сельскохозяйственными данными сети Университета Северной Каролины (Колорадо). (Выполните практическое задание 9-8 для того, чтобы получить дополнительную информацию он использовании LEO-спутников для построения сетей.)

Резюме

1 В современных технологиях беспроводных сетей применяются радиоволны, инфракрасное излучение, СВЧ-волны и низкоорбитальные спутники.

2 Основой для беспроводных сетей послужили эксперименты с пакетной радиосвязью, которые давно проводили операторы-радиолюбители.

3 В настоящее время беспроводные сети используются во многих областях (например, когда сложно развернуть кабельные сети). Кроме того, такие сети позволяют уменьшить затраты на установку сети и обеспечивают связь с мобильными компьютерами.

4 В технологиях радиосвязи обычно используются коммуникации в пределах прямой видимости, которые осуществляются от одной точки к другой вдоль поверхности Земли (вместо того, чтобы радиосигнал отражался от атмосферы Земли). В таких технологиях также применяются коммуникации с расширенным спектром, когда радиоволны передаются по нескольким смежным частотам.

5 Стандарт IEEE 802.11 в настоящее время используется в радиосетях различного типа. Этот стандарт предусматривает три основных компонента: адаптер беспроводной сети (WNIC), точка доступа и антенна. Приняты два стандарта (802.11а и 802.11b), которые определяют скорости коммуникаций, отвечающих стандарту 802.11. Внедряется новый стандарт – 802.11g, который представляет собой расширение стандарта 802.11b.

6 К распространенным альтернативам стандарту 802.11 относятся технологии Bluetooth, HiperLAN и HomeFR Shared Wireless Access Protocol.

7 Стандарт 802.11R предусматривает использование рассеянного инфракрасного (ИК) излучения для построения небольших, относительно защищенных сетей, размещающихся в довольно замкнутых офисах или рабочих зонах.

8 Микроволновые сети существуют в двух видах: сети на базе наземных СВЧ-каналов и спутниковые сети. Спутниковые сети, конечно, могут стоить очень дорого из-за высоких расходов на запуск спутника в космос.

9 Сети на базе низкоорбитальных (LEO) спутников предусматривают использование группы спутников, располагающихся на очень низких орбитах над уровнем Земли, благодаря чему задержки при передаче сигналов получаются значительно меньше, чем в обычных спутниковых коммуникациях. Когда сети на базе LEO-спутников будут развернуты, возможность работы в сетях станет доступной в любой точке планеты.

10 В табл. 9.2 перечислены достоинства и недостатки сетевых коммуникаций с использованием радиоволн, ИК-излучения и СВЧ-волн.

Таблица 9.2. Достоинства и недостатки беспроводных технологий связи

	Радиоволны	ИК-излучение	СВЧ-волны	Низкоорби-тальные спутники
Досто-инства	Недорогая алтернатива для тех случаев, когда сложно реализовать коммуникации по кабелю. Одно из средств реализации мобильных телекоммун-икаций Обычно не требует лицензирования.	Сигнал трудно перехватить незаметно.	Недорогая альтернатива для тех случаев, когда сложно реализовать коммуникации по кабелю, особенно на большие расстояния. Наземный СВЧ канал на больших расстояниях может оказаться более дешевым, чем арендуемые телекоммуника-ционные линии	Может разполагаться над Землей при создании глобальной сети. Не создают таких задержек при передачи сигналов, как геосинхронные спутники.
Недо-статки	Могут не соответствовать требованиям высокоскоростных сетей. Подвержены помехам со стороны сотовых сетей, военных, обычных и других источников радиосигналов. Подвержены помехам естественного происхождения.	Могут не подойти для высокоскоро-стных коммуникаций. Подвержены помехам со стороны посторонних источников света. Не передаются через стены. Номенклатура предлагаемых устройств меньше, чем для других типов беспроводных сетей	Могут не подойти для высокоскоро-стных коммуникаций Дороги в установке и эксплуатации. Подвержены помехам природного характера (дождь, снег, туман) и радиопомехам, а также зависят от состояния атмосферы.	Будут доступны лишь в 2005 году

Современная наука переживает бум своего развития. На данный момент основную роль стала играть компьютерная техника. Это связанно, прежде всего, с приходом в жизнь людей планшетов, смартфонов, ноутбуков и компьютеров, для нормальной работы которых требуется доступ к интернету.

В сельском хозяйстве, промышленности и, конечно же, в военной сфере появилась необходимость в надежных системах управления, и объединении их специальную глобальную сеть. Такие тенденции проявляются во всем мире и способствуют развитию беспроводных технологий. В данной статье приведен перечень основных видов беспроводных технологий, а также описание каждого из видов.

Все беспроводные технологии можно разделить на такие основные виды по количеству объектов как:

• персональные беспроводные технологии;
• беспроводные сети;
• локальные беспроводные сети;
• глобальные беспроводные сети.

Персональные беспроводные технологии (сети)

К данному виду можно отнести такие технологии как:

Bluetooth — технология радиосвязи с малым расстоянием действия. Обычно это расстояние около 300 метров. В основе данного вида связи лежит алгоритм FHSS.

IrDA – порт инфракрасного вида, который описывает протоколы логического и физического уровней. Эта технология широко известна под именем ИК-порт. Эту технологию вытеснили известные нам технологии Wi-Fi и Bluetooth. ИК-порты, так как и Bluetooth являются технологией с малым радиусом действия. Одна из особенностей ИК-порта – передача данных только при полной видимости приемника.

USB-технология – беспроводная технология с радиусом действия почти 9-10 метров. На сегодняшний день это самый широкий диапазон, который используют коммерческие устройства для связи. Wireless USB – это одна из видов беспроводной USB-технологии, который предназначен для того, чтобы заменить проводной USB. Основная функция данной технологии – это обеспечение быстрого обмена на малых расстояниях и обеспечение процесса взаимодействия ПК и периферийных устройств.

Wireless HD – беспроводная технология, основной функцией которой является, передача видеороликов HD качества. WiGig – широкополосная технология беспроводной связи, которая работает в диапазон частот от 60 ГГц и обеспечивает передачу данных до 7-8 Гбит в секунду, приблизительно на расстоянии 9-10 метров. LibertyLink – это технология беспроводной сети, для передачи данных в которой используется магнитная индукция.

Беспроводные сети RuBee –беспроводная сеть локального характера, которая является сетью для датчиков. Чтобы передать данные, сеть использует магнитные волны. Используется сеть для необычных целей, которые не требуют высокого быстродействия, но требуют долгой работы и хорошей защищенной связи.

Такие сети используют для работы объектов повышенной опасности. Wavenis – беспроводная сеть использующая частоты номер 433, 868 и 915 МГц, и обеспечивает передачу данных на расстояние практически до 1000 м на открытой территории и до 200 метров в здании со скоростью до 100 Кбит в секунду.

Используют эту технологию для того, чтобы организовать персональную сеть или сеть для датчиков. One-Net – это протокол для создания сенсорных беспроводных сетей, а так же сетей для автоматизации зданий и объектов.

Передаются данные на расстоянии до 100 м, на открытом пространствепри скорости для передачи данных приблизительно 28 – 230 Кбит в секунду. DASH7 – стандарт для организации сенсорных беспроводных сетей. Сенсорная сеть – сеть вычислительных устройств, которые снабжены особыми сенсорными датчиками. Расстояние распространения напрямую зависимо от мощности сигнала, который передается.

Локальные беспроводные сети Wi-Fi – семейство стандартов IEEЕ. Используется для того, чтобы передавать данные в пределе от 2 до 5 ГГц и обеспечивают скорость передачи от 1 Мбит в секунду, на расстоянии до 150 метров. Wi-Fi используют для организации как локальных сетей, так и для подключения к глобальной сети Интернет. Wi-Fi – самая популярная технология для организации как домашних так и офисных сетей и доступа к Интернету. HiperLAN – это стандарт беспроводных сетей. Существует два семейства стандартов: HiperLAN1 и HiperLAN2. Данный стандарт используется для передачи данных на расстоянии до 50 метров и скорости передачи до 10 Мбит в секунду.

Глобальные беспроводные сети

К таким сетям относят: — мобильные связи 1G поколения; — мобильные связи 2G поколения; — мобильные связи 2.5G поколения; — мобильные связи 3G поколения; — мобильные связи 3.5 G поколения; — мобильные связи 4G поколения;

В данной статье приведена основная классификация беспроводных технологий. Это список не всех беспроводных технологии, а лишь их малая часть. Беспроводные технологии появляются по мере развития науки и техники, поэтому их количество огромно.

Ну а если вы являетесь веб разработчиком или владельцем высоконагруженного веб ресурса, то для вас на данный момент актуальным является аренда выделенного сервера под нужды веб ресурса. О всех преимуществах выделенного сервера вы можете получить подробную консультацию на сайте хостинг провайдера.

Электроника лежит в основе практически всей коммуникации. Все началось с изобретения телеграфа в 1845 году, за ним в 1876 году последовал телефон. Связь постоянно совершенствовалась, а прогресс в электронике, который произошел совсем недавно, заложил новый этап в развитие коммуникаций. Сегодня беспроводная связь вышла на новый уровень и уверенно заняла доминирующую часть рынка связи. И ожидается новый рост сектора беспроводной коммуникации благодаря развивающейся сотовой инфраструктуре, а также современным технологиям, таким как . В данной статье мы рассмотрим наиболее перспективные технологии на ближайшее время.

Состояние 4G

4G в переводе с английского означает долговременную эволюцию (Long Term Evolution (LTE). LTE – это технология OFDM, которая на сегодняшний день является доминирующей структурой сотовой системы связи. Системы 2G и 3G все еще существуют, хотя внедрение 4G началась в 2011 – 2012 годах. Сегодня LTE в основном реализуется крупнейшими операторами в США, Азии и Европе. Его развертывание еще не завершено. LTE получила огромную популярность у владельцев смартфонов, так как высокая скорость передачи данных открыла такие возможности, как потоковая передача видео для эффективного просмотра фильмов. Тем не менее, все не так идеально.

Хотя LTE обещал скорость загрузки до 100 Мбит / с, это не было достигнуто на практике. Скорости до 40 или 50 Мбит / с могут быть достигнуты, но только при особых условиях. При минимальном количестве подключений и минимальном траффике такие скорости очень редко могут достигаться. Наиболее вероятные скорости передачи данных находятся в диапазонах 10 – 15 Мбит / с. В пиковые часы скорость проседает до нескольких Мбит / с. Конечно, это не делает реализацию 4G провальной затеей, это означает, что пока его потенциал реализован не полностью.

Одной из причин, почему 4G не обеспечивает заявленную скорость – слишком большое количество потребителей. При слишком интенсивном его использовании скорость передачи данных существенно снижается.

Однако, существует надежда, что это удастся исправить. Большинство операторов, предоставляющих услуги 4G, еще не реализовали технологию LTE-Advanced, усовершенствование, которое обещает повысить скорость передачи информации. LTE-Advanced использует «объединение несущих» (carrier aggregation (CA)) для увеличения скорости. «Объединение несущих» подразумевает объединение стандартной полосы пропускания LTE до 20 МГц в 40 МГц, 80 МГц или 100 МГц части, для повышения пропускной способности. LTE-Advanced также имеет конфигурацию MIMO 8 x 8. Поддержка этой функции открывает потенциал для увеличения скорости обмена данными до 1 Гбит/с.

LTE-CA известно еще как LTE-Advanced Pro или 4.5G LTE. Эти сочетания технологий определенны группой разработки стандартов 3GPP в версии 13. Она включает в себя агрегацию операторов, а также лицензионный доступ с поддержкой (LAA), метод, который использует LTE в нелицензированном Wi-Fi-спектре 5 ГГц. Он также развертывает агрегацию каналов LTE-Wi-Fi (LWA) и двойное подключение, позволяя смартфону «разговаривать» одновременно с узлом небольшой точки доступа, и точкой доступа Wi-Fi. В данной реализации слишком много деталей, которые мы не будем рассматривать, но общая цель — продлить срок службы LTE за счет снижения задержки и увеличения скорости передачи данных до 1 Гбит / с.

Но это не все. LTE сможет обеспечить более высокую производительность, так как операторы начинают упрощать свою стратегию небольшими ячейками, обеспечивая более высокую скорость передачи данных для большего числа абонентов. Маленькие ячейки — это просто миниатюрные сотовые базовые станции, которые могут быть установлены где угодно для заполнения пробелов охвата макроячейки, добавляя, где это необходимо, производительность.

Еще одним способом повышения производительности является использование Wi-Fi. Этот метод обеспечивает быструю загрузку в ближайшую точку доступа Wi-Fi, когда она доступна. Лишь несколько операторов сделали это доступным, но большинство из них рассматривают усовершенствование LTE под названием LTE-U (U для нелицензионного (unlicensed)). Это метод, аналогичный LAA, который использует нелицензированный диапазон 5 ГГц для быстрой загрузки, когда сеть не может справиться с нагрузкой. Это создает конфликт спектра с последней , которая использует диапазон 5 ГГц. Для реализации этого были разработаны определенные компромиссы.

Как мы видим, потенциал 4G все еще не раскрыт до конца. В ближайшие годы будут внедрены все или большинство из перечисленных усовершенствований. Стоит отметить и то, что производители смартфонов также внесут изменение в аппаратное или программное обеспечения для усовершенствования работы LTE. Данные улучшение, скорее всего, произойдут тогда, когда начнется массовое внедрение стандарта 5G.

Открытие 5G

Как такового 5G пока нет. Так, что громкие заявление об «абсолютно новом стандарте способном изменить подход к беспроводной передаче информации» пока рано. Хотя, некоторые поставщики интернет услуг уже начинают споры, кто же первым внедрит стандарт 5G. Но стоит вспомнить спор недавних лет о 4G. Ведь реального 4G (LTE-A) еще нет. Тем не менее, работа над 5G идет полным ходом.

«Проект партнерства третьего поколения» (3GPP) работает над стандартом 5G, который, как ожидается, будет внедрен в ближайшие годы. Международный союз электросвязи (ITU), который будет «благословлять» и администрировать стандарт, заявляет, что окончательно 5G должен стать доступен к 2020 году. Тем не менее, некоторые ранние версии стандарта 5G все же будут появляться в конкурентной борьбе провайдеров. Некоторые требования 5G появятся уже в 2017 – 2018 годах в той или иной формах. Полное внедрение 5G будет задачей далеко не из легких. Такая система будет одной из самых сложных, если не самой сложной, из беспроводных сетей. Полное ее развертывание ожидается к 2022 году.

Основанием внедрения 5G является преодоление ограничений 4G и добавление возможностей для новых приложений. Ограничения 4G — это в основном пропускная способность абонента и ограниченные скорости передачи данных. Сети сотовой связи уже перешли от голосовых технологий к центрам данных, но необходимы дальнейшие улучшения производительности в будущем.

Более того, ожидается бум новых приложений. К ним относят видео HD 4K, виртуальную реальность, интернет вещей (IoT), а также использование структуры «машина-машина» (М2М). Многие по-прежнему прогнозируют от 20 до 50 миллиардов устройств онлайн, многие из которых будут подключаться к сети интернет через сотовую связь. В то время, как большинство устройств IoT и M2M работают на низких скоростях передачи данных, то для работы с потоковыми данными (видео) необходима высокая скорость интернет. Другими потенциальными приложениями, которые будут использовать стандарт 5G, могут стать умные города и средства связи для обеспечения безопасности автомобильного транспорта.

5G, вероятно, будет более революционным, чем эволюционным. Это будет связано с созданием новой сетевой архитектуры, которая будет накладываться на сеть 4G. Новая сеть будет использовать распределенные мелкие ячейки с волоконным или миллиметровым обратным каналом, а также будет экономной, энергонезависимой и легко масштабируемой. Кроме того, в сетях 5G будет больше программного, чем аппаратного обеспечения. Также будет использоваться программная сеть (SDN), виртуализацию сетевых функций (NFV), методы самоорганизующейся сети (SON).

Также имеется еще несколько ключевых особенностей:

• Использование миллиметровых волн. В первых версиях 5G могут использоваться полосы в 3,5 ГГц и 5 ГГц. Также рассматриваются варианты частот от 14 ГГц до 79 ГГц. Окончательный вариант пока выбран не был, однако FCC заявляет, что выбор буден сделан в ближайшее время. Тестирование ведется на частотах 24, 28, 37 и 73 ГГц.
• Рассматриваются новые схемы модуляции. Большинство из них – это некоторые вариант OFDM. Две или более схем могут быть определены в стандарте для различных приложений.
• Несколько входов с несколькими выходами (MIMO) будут включены в некоторую форму для расширения диапазона, скорости передачи данных и надежности связи.
• Антенны будут иметь фазированные решетки с адаптивным формированием луча и управлением.
• Более низкая латентность — главная цель. Менее 5 мс задано, но менее 1 мс является целью.
• Скорости передачи данных от 1 Гбит / с до 10 Гбит / с ожидаются в полосах пропускания 500 МГц или 1 ГГц.
• Микросхемы будут изготавливаться из арсенида галлия, кремния-германия и некоторых КМОП.

Одной из самых больших проблем во внедрении 5G ожидается интеграция данного стандарта в мобильные телефоны. В современных смартфонах и так полным-полно различных передатчиков и приемников, а с 5G они станут еще сложнее. Нужна ли такая интеграция?

Путь развития Wi-Fi

Наряду с сотовой связью находится одна из наиболее популярных беспроводных сетей – Wi-Fi. Как и , Wi-Fi является одной из наших любимых «утилит». Мы рассчитываем на подключение к сети Wi-Fi практически в любом месте, и в большинстве случаев мы получаем доступ. Как и большинство популярных беспроводных технологий, он постоянно находится в стадии разработки. Последняя выпущенная версия называется 802.11ac и обеспечивает скорость до 1,3 Гбит / с в нелицензированной полосе частот 5 ГГц. Также идет поиск приложений для стандарта 802.11ad со сверхвысокой частотой 60 ГГц (57-64 ГГц). Это проверенная и экономически эффективная технология, но кому нужны скорости от 3 до 7 Гбит / с на расстоянии до 10 метров?

На данный момент существует несколько проектов развития стандарта 802.11. Вот несколько из основных:

• 11af — это версия Wi-Fi в белых полосах телевизионного диапазона (54 до 695 МГц). Данные передаются в локальных полосах пропускания 6- (или 8) МГц, которые не заняты. Возможна скорость передачи данных до 26 Мбит/с. Иногда его называют White-Fi, а главная привлекательность 11af заключается в том, что возможный радиус действия на низких частотах составляет много километров и отсутствие прямой видимости (NLOS) (работа только на открытых площадях). Эта версия Wi-Fi еще не используется, но имеет потенциал для приложений IoT.
• 11ah — обозначенный как HaLow, является еще одним вариантом Wi-Fi, который использует нелицензированный диапазон ISM 902-928 МГц. Это маломощная низкоскоростная (сотни кбит / с) служба с дальностью до километра. Целью является применение в IoT.
• 11ax — 11ax — это обновление до 11ac. Его можно использовать в диапазонах 2,4 и 5 ГГц, но, скорее всего, он будет работать в полосе частот 5 ГГц исключительно для использования полосы пропускания 80 или 160 МГц. Ожидается, что наряду с 4 x 4 MIMO и OFDA / OFDMA, ожидается пиковая скорость передачи данных до 10 Гбит / с. Окончательной ратификации не будет до 2019 года, хотя предварительные версии, вероятно, будут полными.
• 11ay — это расширение стандарта 11ad. Он будет использовать полосу частот 60 ГГц, а целью является, по меньшей мере, скорость передачи данных 20 Гбит / с. Еще одна цель — расширить дальность до 100 метров, чтобы иметь больше приложений, таких как обратный трафик для других услуг. Выход этого стандарта не ожидается в 2017 году.

Беспроводные сети для IoT и М2М

Беспроводная связь, безусловно, является будущим интернет вещей (IoT) и межмашинных связей (Machine-to-Machine, M2M). Хотя проводные решения тоже не исключаются, но стремление к беспроводной связи все же является предпочтительней.

Типичным для устройств интернет вещей является небольшое расстояние действия, малая потребляемая мощность, небольшая скорость обмена данными, питания от аккумулятора или батареи с датчиком, как показано на рисунке ниже:

Альтернативой может стать какой-то удаленный исполнительный механизм, как показано на рисунке ниже:

Или же возможна комбинация этих двух устройств. Оба, как правило, подключаются к интернету через беспроводной шлюз, но также могут подключаться и через смартфон. Соединение со шлюзом также беспроводное. Вопрос в другом, какой беспроводной стандарт будет использоваться?

Очевидным выбором становится Wi-Fi, так как трудно представить себе место, где его нет. Но для некоторых приложений он будет излишен, а для некоторых слишком энергоемок. Bluetooth – еще один неплохой вариант, особенно его версия с низким энергопотреблением (BLE). Новые дополнения к сети и шлюзу Bluetooth делают его еще более привлекательным. ZigBee — еще одна готовая и ожидающая альтернатива, и не забываем о Z-Wave. Так же есть несколько вариантов 802.15.4, например 6LoWPAN.

Добавьте к ним новейшие варианты, являющиеся частью энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия (Low Power Wide Area Networks (LPWAN)). Эти новые беспроводные варианты предлагают сетевые соединения большей дальности, что обычно невозможно при использовании традиционных технологий, упомянутых выше. Большинство из них работают в нелицензируемом спектре ниже 1 ГГц. Некоторые из новейших конкурентов для приложений IoT:

• LoRa — изобретение Semtech и поддерживается Link Labs. Эта технология использует линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) при низкой скорости передачи данных, чтобы получить диапазон до 2-15 км.
• Sigfox — французская разработка, использующая ультра узкополосную схему модуляции при низкой скорости передачи данных для отправки коротких сообщений.
• Weightless – использует телевизионные белые пространства с методами когнитивного радио для более длинных диапазонов и скорости передачи данных до 16 Мбит / с.
• Nwave — это похоже на Sigfox, но на данный момент нам не удалось собрать достаточно информации.
• Ingenu — в отличие от других, этот использует диапазон 2,4 ГГц и уникальную схему множественного доступа с произвольной фазой.
• Halow — это 802.11ah Wi-Fi, описан выше.
• White-Fi — это 802.11af, описан выше.

Cellular определенно является альтернативой IoT, поскольку является основой межмашинных связей (М2М) уже более 10 лет. Межмашинные связи используют в основном 2G и 3G беспроводные модули для мониторинга удаленных машин. В то время, как 2G (GSM) в конечном счете будет постепенно сокращаться, 3G все еще будет «жить».

Теперь доступен новый стандарт: LTE. В частности, он называется LTE-M и использует сокращенную версию LTE в полосе пропускания 1,4 МГц. Другая версия NB-LTE-M использует полосу пропускания 200 кГц для работы с более низкой скоростью. Все эти варианты смогут использовать существующие сети LTE с обновленным программным обеспечением. Модули и чипы для LTE-M уже доступны, как и на устройствах Sequans Communications.

Одна из самых больших проблем интернет вещей – отсутствие единого стандарта. И в ближайшее время, скорее всего, он не появится. Возможно, в будущем, появится несколько стандартов, только как скоро?

В статье рассматриваются три технологии беспроводной передачи данных, названия которых, что называется, у всех на слуху: ZigBee, BlueTooth и Wi-Fi, а также приводятся возможные области их использования и рекомендации по выбору технологии для конкретной задачи.

Технология беспроводной передачи данных BlueTooth

Технология BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала первой технологией, позволяющей организовать беспроводную персональную сеть передачи данных (WPAN - Wireless Personal Network). Она позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10–100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости.

Своему рождению BlueTooth обязана фирме Ericsson, которая в 1994 году начала разработку новой технологии связи. Первоначально основной целью являлась разработка радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволял бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. Однако впоследствии работы по разработке радиоинтерфейса плавно переросли в создание новой технологии.

На телекоммуникационном рынке, а также на рынке компьютерных средств успех новой технологии обеспечивают ведущие фирмы-производители, которые принимают решение о целесообразности и экономической выгоде от интеграции новой технологии в свои новые разработки. Поэтому, чтобы обеспечить своему детищу достойное будущее и дальнейшее развитие, в 1998 году фирма Ericsson организовала консорциум BlueTooth SIG (Spesial Interest Group), перед которым ставились следующие задачи:

• дальнейшая разработка технологии BlueTooth;
• продвижение новой технологии на рынке телекоммуникационных средств.

В консорциум BlueTooth SIG входят такие фирмы, как Ericsson, Nokia, 3COM, Intel, National Semiconductor.

Логично было бы предположить, что первые шаги, предпринимаемые консорциумом BlueTooth SIG, будут заключаться в стандартизации новой технологии с целью совместимости BlueTooth-устройств, разработанных разными фирмами. Это и было реализовано. Для этого были разработаны спецификации, детально описывающие методы использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных.

В результате был разработан стек протокола беспроводной передачи данных BlueTooth (рис. 1).

Рис. 1. Стек протокола Bluetooth

Технология BlueTooth поддерживает как соединения типа «точка–точка», так и «точка–многоточек». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet).

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 2).

Рис. 2. Пикосеть с подчиненными устройствами. а) с одним подчиненным устройством. б) несколькими. в) распределенная сеть

С момента появления на рынке первых модулей BlueTooth их широкому применению в новых приложениях препятствовала сложная программная реализация стека протокола BlueTooth. Разработчику необходимо было самостоятельно реализовать управление BlueTooth-модулем и разработать профили, определяющие взаимодействие модуля с другими BlueTooth-устрой ствами с помощью команд интерфейса хост-контроллера (HCI - Host Controller Interface). Интерес к технологии BlueTooth возрастал с каждым днем, появлялись все новые и новые фирмы, разрабатывающие для нее компоненты, но не было решения, которое бы в значительной степени упростило бы управление BlueTooth-модулями. И такое решение было найдено. Финская фирма, изучив ситуацию на рынке, одной из первых предложила разработчикам следующее решение.

В большинстве случаев технология BlueTooth используется разработчиками для замены проводного последовательного соединения между двумя устройствами на беспроводное. Для организации соединения и выполнения передачи данных разработчику необходимо программно, с помощью команд интерфейса хост-контроллера реализовать верхние уровни стека протокола BlueTooth, к которым относят: L2CAP, RFCOMM, SDP, а также профиль взаимодействия по последовательному порту - SPP (Serial Port Profi le) и профиль обнаружения услуг SDP (Service Discovery Profi le). На этом и решила сыграть финская фирма, разработав вариант прошивки BlueTooth-модулей, представляющий законченную программную реализацию всего стека протокола BlueTooth (рис. 1), а также профилей SPP и SDP. Это решение дает возможность разработчику осуществлять управление модулем, устанавливать беспроводное последовательное соединение и выполнять передачу данных с помощью специальных символьных команд, точно так же, как это делается при работе с обычными модемами через стандартные AT-команды.

На первый взгляд, рассмотренное выше решение позволяет существенно сократить время интеграции технологии BlueTooth во вновь разрабатываемые изделия. Однако это накладывает определенные ограничения на использование возможностей технологии BlueTooth. В основном это сказывается на уменьшении максимальной пропускной способности и количестве одновременных асинхронных соединений, поддерживаемых BlueTooth-модулем.

В середине 2004 года на смену спецификации BlueTooth версии 1.1, которая была опубликована в 2001 году, принята спецификация BlueTooth версии 1.2. К основным отличиям спецификации 1.2 от 1.1 относят:

1. Реализация технологии адаптивной перестройки частоты канала (Adaptive Friquency hopping, AFH).
2. Усовершенствование голосового соединения.
3. Сокращение времени, затрачиваемого на установление соединения между двумя модулями BlueTooth.

Известно, что BlueTooth и Wi-Fi используют один и тот же нелицензирумый диапазон 2,4 ГГц. Следовательно, в тех случаях, когда BlueTooth-устройства находятся в зоне действия устройств Wi-Fi и осуществляют обмен данными между собой, это может привести к коллизиям и повлиять на работоспособность устройств. Технология AFH позволяет избежать появления коллизий: во время обмена информацией для борьбы с интерференцией технология BlueTooth использует скачкообразную перестройку частоты канала, при выборе которого не учитываются частотные каналы, на которых осуществляют обмен данными устройства Wi-Fi. На рис. 3 проиллюстрирован принцип действия технологии AFH.

Рис. 3. Принцип действия технологии AFH. а) коллизии б) уход от коллизий при помощи адаптивной перестройки частоты канала

Развитие технологии BlueTooth не стоит на месте. Консорциумом SIG разработана концепция развития технологии до 2008 года (рис. 4).

Рис. 4. Этапы развития технологии Bluetooth

В настоящее время на рынке работает большое количество фирм, предлагающих модули BlueTooth, а также компоненты для самостоятельной реализации аппаратной части BlueTooth-устройства. Практически все производители предлагают модули, поддерживающие спецификации BlueTooth версии 1.1 и 1.2 и соответствующие классу 2 (диапазон действия 10 м) и классу 1 (диапазон действия 100 м). Однако, несмотря на то, что версия 1.1 полностью совместима с 1.2, все рассмотренные выше усовершенствования, реализованные в версии 1.2, могут быть получены, только если оба устройства соответствуют версии 1.2.

В ноябре 2004 года была принята спецификация BlueTooth версии 2.0, поддерживающая технологию расширенной передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR). Спецификация 2.0 с поддержкой EDR позволяет осуществлять обмен данными на скорости до 3 Мбит/с. Первые серийно изготавливаемые образцы модулей, соответствующие версии 2.0 и поддерживающие технологию расширенной передачи данных EDR, были предложены производителями в конце 2005 года. Радиус действия таких модулей составляет 10 м при отсутствии прямой видимости, что соответствует классу 2, а при наличии прямой видимости он может достигать 30 м.

Как уже отмечалось ранее, основное назначение технологии BlueTooth - замена проводного последовательного соединения. При этом профиль SPP, используемый для организации соединения, конечно же, не единственный профиль, который разработчики могут использовать в своих изделиях. Технологией BlueTooth определены следующие профили: профиль общего доступа (Generic Access Profile), профиль обнаружения услуг (Service Discovery Profile), профиль взаимодействия с беспроводными телефонами (Cordless Telephony Profile), профиль интеркома (Intercom Profile), профиль беспроводных гарнитур для мобильных телефонов (Headset Profile), профиль удаленного доступа (Dial-up Networking Profile), профиль факсимильной связи (Fax Profile), профиль локальной сети (Lan Access Profile), профиль обмена данными (Generic Object Exchange), профиль передачи данных (Profile Object Push Profile), профиль обмена файлами (File Transfer Profile), профиль синхронизации (Synchronization Profile).

Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi

С Wi-Fi сложилась несколько запутанная ситуация, поэтому для начала определимся с используемой терминологией.

Стандарт IEEE 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network - WLAN). Стандарт IEEE 802.11 постоянно совершенствовался, и в настоящее время существует целое семейство, к которому относят спецификации IEEE 802.11 с буквенными индексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Однако только четыре из них (а, b, g и i) являются основными и пользуются наибольшей популярностью у производителей оборудования, остальные же (с-f, h-n) представляют собой дополнения, усовершенствования или исправления принятых спецификаций.

В свою очередь, Институт инженеров по электронике и электротехнике (IEEE) только разрабатывает и принимает спецификации, на вышеперечисленные стандарты. В его обязанности не входят работы по тестированию оборудования различных производителей на совместимость.

Для продвижения на рынке оборудования для беспроводных локальных сетей (WLAN) была создана группа, которая получила название Альянс Wi-Fi. Этот альянс осуществляет руководство работами по сертификации оборудования различных производителей и выдаче разрешения на использование членами Альянса Wi-Fi логотипа торговой марки Wi-Fi. Наличие на оборудовании логотипа Wi-Fi гарантирует надежную работу и совместимость оборудования при построении беспроводной локальной сети (WLAN) на оборудовании различных производителей. В настоящее время Wi-Fi-совместимым является оборудование, построенное по стандарту IEEE 802.11a, b и g (может также использовать стандарт IEEE 802.11i для обеспечения защищенного соединения). Кроме того, наличие на оборудовании логотипа Wi-Fi означает, что работа оборудования осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц. Следовательно, под Wi-Fi следует понимать совместимость оборудования различных производителей, предназначенного для построения беспроводных локальных сетей, с учетом изложенных выше ограничений.

Первоначальная спецификация стандарта IEEE 802.11, принятая в 1997 году, устанавливала передачу данных на скорости 1 и 2 Мбит/с в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц, а также способ управления доступом к физической среде (радиоканалу), который использует метод множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA). Метод CSMA-CA заключается в следующем. Для определения состояния канала (занят или свободен) используется алгоритм оценки уровня сигнала в канале, в соответствии с которым выполняется измерение мощности сигналов на входе приемника и качество сигнала. Если мощность принятых сигналов на входе приемника ниже порогового значения, то канал считается свободным, если же их мощность выше порогового значения, то канал считается занятым.

После принятия спецификации стандарта IEEE 802.11 несколько производителей представили на рынке свое оборудование. Однако оборудование стандарта IEEE 802.11 не получило широкого распространения вследствие того, что в спецификации стандарта не были однозначно определены правила взаимодействия уровней стека протокола. Поэтому каждый производитель представил свою версию реализации стандарта IEEE 802.11, не совместимую с остальными.

Для исправления сложившейся ситуации в 1999 году, IEEE принимает первое дополнение к спецификации стандарта IEEE 802.11 под названием IEEE 802.11b. Стандарт IEEE 802.11b стал первым стандартом построения беспроводных локальных сетей, получившим широкое распространение. Максимальная скорость передачи данных в нем составляет 11 Мбит/с. Такую скорость разработчикам стандарта удалось получить за счет использования метода кодирования последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Для управления доступом к радиоканалу используется тот же метод, что и в первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 - CSMA-CA. Приведенное выше значение максимальной скорости передачи данных, конечно же, является теоретическим значением, так как для доступа к радиоканалу используется метод CSMACA, не гарантирующий наличия свободного канала в любой момент времени. Поэтому на практике при передаче данных по протоколу TCP/IP максимальная пропускная способность составит около 5,9 Мбит/с, а при использовании протокола UDP - около 7,1 Мбит/с.

В случае ухудшения электромагнитной обстановки оборудование автоматически снижает скорость передачи в начале до 5,5 Мбит/с, затем до 2 Мбит/с, используя для этого метод адаптивного выбора скорости (Adaptive Rate Selection, ARS). Снижение скорости позволяет использовать более простые и менее избыточные методы кодирования, отчего передаваемые сигналы становятся менее подверженными затуханию и искажениям вследствие интерференции. Благодаря методу адаптивного выбора скорости оборудование стандарта IEEE 802.11b может осуществлять обмен данными в различной электромагнитной обстановке.

Следующим стандартом, пополнившим семейство стандарта IEEE 802.11, является стандарт IEEE 802.11a, спецификация которого была принята IEEE в 1999 году. Основное отличие спецификации стандарта IEEE 802.11a от первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 заключается в следующем:

• передача данных осуществляется в нелицензируемом диапазоне частот 5 ГГц;
• используется ортогональная частотная модуляция (OFDM);
• максимальная скорость передачи данных составляет 54 Мбит/с (реальная скорость - около 20 Мбит/с).

Так же, как в стандарте 802.11b, в 802.11a реализован метод выбора адаптивной скорости (ARS), снижающий скорость передачи данных в следующей последовательности: 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с. Передача информации осуществляется по одному из 12 каналов, выделенных в диапазоне 5 ГГц.

Использование диапазона 5 ГГц при разработке спецификации 802.11a обусловлено прежде всего тем, что данный диапазон менее загружен, чем диапазон 2,4 ГГц, а следовательно, передаваемые в нем сигналы менее подвержены влиянию интерференции. Несомненно, данный факт является преимуществом, но в то же время использование диапазона 5 ГГц приводит к тому, что надежная работа оборудования стандарта IEEE 802.11a обеспечивается только на прямой видимости. Поэтому при построении беспроводной сети требуется установка большего количества точек доступа, что, в свою очередь, влияет на стоимость развертывания беспроводной сети. Кроме того, сигналы, передаваемые в диапазоне 5 ГГц, более подвержены поглощению (мощность излучения оборудования IEEE 802.11b и 802.11a одна и та же).

Первые образцы оборудования стандарта IEEE 802.11a были представлены на рынке в 2001 году. Следует отметить, что оборудование, поддерживающее только стандарт IEEE 802.11a, не пользовалось большим спросом на рынке по нескольким причинам. Во-первых, на тот момент оборудование стандарта IEEE 802.11b уже зарекомендовало себя на рынке, во вторых, все отмечали недостатки использования диапазона 5 ГГц и, в-третьих, оборудование стандарта IEEE 802.11a не совместимо с IEEE 802.11b. Однако впоследствии производители для продвижения IEEE 802.11a предложили устройства, поддерживающие оба стандарта, а также оборудование, позволяющее адаптироваться в сетях, построенных на оборудовании стандарта IEEE 802.11b, 802.11а, 802.11g.

В 2003 году была принята спецификация стандарта IEEE 802.11g, устанавливающая передачу данных в диапазоне 2,4 ГГц со скоростью 54 Мбит/с (реальная скорость составляет около 24,7 Мбит/с). Для управления доступом к радиоканалу используется тот же метод, что и в первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 - CSMACA, а также ортогональная частотная модуляция (OFDM).

Оборудование стандарта IEEE 802.11g полностью совместимо с 802.11b, однако, из-за влияния интерференции, в большинстве случаев реальная скорость передачи данных 802.11g сопоставима со скоростью, обеспечиваемой оборудованием стандарта 802.11b. Поэтому единственным правильным решением для потенциальных пользователей беспроводных локальных сетей является покупка оборудования, поддерживающего сразу три стандарта: 802.11a, b и g.

Wi-Fi-совместимое оборудование у большинства разработчиков ассоциируется прежде всего с организацией точек доступа для выхода в Интернет и с абонентским оборудованием. Следует отметить, что и индустрия встроенных систем не обошла своим вниманием стандарты IEEE 802.11a, b и g. Уже сейчас на этом сегменте рынка есть предложения, позволяющие сделать любое устройство Wi-Fi-совместимым. Речь идет о ОЕМ-модулях стандарта IEEE 802.11b, в состав которых входят: приемопередатчик, процессор обработки приложений и исполнения ПО. Таким образом, эти модули представляют собой полностью законченное решение, позволяющее существенно сократить время и стоимость реализации Wi-Fi-совместимости разрабатываемого изделия. В основном ОЕМ-модули стандарта IEEE 802.11b интегрируются в изделия для удаленного мониторинга и управления через Интернет. Для подключения ОЕМ-модуля стандарта IEEE 802.11b к изделию используется последовательный интерфейс RS-232, а управление модулем выполняется AT-командами. Максимальное расстояние между OEM модулем стандарта IEEE 802.11b и точкой доступа при использовании специальной выносной антенны может составлять до 500 м. В помещения максимальное расстояние не превышает 100 м, а при наличии прямой видимости увеличивается до 300 м. Существенным недостатком таких ОЕМ-модулей является их высокая стоимость.

В таблице 1 приведены основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g.

Таблица 1. Основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g

Технология беспроводной передачи данных ZigBee

Технология беспроводной передачи данных ZigBee была представлена на рынке уже после появления технологий беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi. Появление технологии ZigBee обусловлено, прежде всего, тем, что для некоторых приложений (например, для удаленного управления освещением или гаражными воротами, либо считывания информации с датчиков) основными критериями при выборе технологии беспроводной передачи является малое энергопотребление аппаратной части и ее низкая стоимость. Из этого следует малая пропускная способность, так как в большинстве случаев электропитание датчиков осуществляется от встроенной батареи, время работы от которой должно превышать несколько месяцев и даже лет. Иначе ежемесячная замена батареи для датчика открывания-закрывания гаражных ворот кардинально изменит отношение пользователя к беспроводным технологиям. Существующие на тот момент времени технологии беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi не соответствовали этим критериям, обеспечивая передачу данных на высоких скоростях, с высоким уровнем энергопотребления и стоимости аппаратной части. В 2001 году рабочей группой № 4 IEEE 802.15 были начаты работы по созданию нового стандарта, который бы соответствовал следующим требованиям:

• очень малое энергопотребление аппаратной части, реализующей технологию беспроводной передачи данных (время работы от батареи должно составлять от нескольких месяцев до нескольких лет);
• передача информации должна осуществляться на не высокой скорости;
• низкая стоимость аппаратной части.

Результатом стала разработка стандарта IEEE 802.15.4. Во многих публикациях под стандартом IEEE 802.15.4 понимают технологию ZigBee и наоборот под ZigBee - стандарт IEEE 802.15.4. Однако это не так. На рис. 5 приведена модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя.

Рис. 5. Модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет взаимодействие только двух низших уровней модели взаимодействия: физического уровня (PHY) и уровня управления доступом к радиоканалу для трех нелицензируемых диапазонов частот: 2,4 ГГц, 868 МГц и 915 МГц. В таблице 2 приведены основные характеристики оборудования, функционирующего в этих диапазонах частот.

Таблица 2. Основные характеристики оборудования

Уровень MAC отвечает за управление доступом к радиоканалу с использованием метода множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а также за управление подключением и отключением от сети передачи данных и обеспечение защиты передаваемой информации симметричным ключом (AES-128).

В свою очередь, технология беспроводной передачи данных ZigBee, предложенная альянсом ZigBee, определяет остальные уровни модели взаимодействия, к которым относят сетевой уровень, уровень безопасности, уровень структуры приложения и уровень профиля приложения. Сетевой уровень, технологии беспроводной передачи данных ZigBee, отвечает за обнаружение устройств и конфигурацию сети и поддерживает три варианта топологии сети, приведенные на рис. 6.

Рис. 6. Три варианта топологии сети

Для обеспечения низкой стоимости интеграции технологии беспроводной передачи ZigBee в различные приложения физическая реализация аппаратной части стандарта IEEE 802.15.4 выполняется в двух исполнениях: устройства с ограниченным набором функции (RFD) и полностью функциональные устройства (FFD). При реализации одной из топологий сети, приведенной на рис. 6, требуется наличие, по крайней мере, одного FFD-устройства, выполняющего роль сетевого координатора. В таблице 3 приведен перечень функций, выполняемых устройствами FFD и RFD.

Таблица 3. Перечень функций, выполняемых устройствами FFD и RFD

Низкая стоимость аппаратной части RFD-устройств обеспечивается за счет ограничения набора функций при организации взаимодействия с сетевым координатором или FFD-устройством. Это в свою очередь, отражается на неполной реализации модели взаимодействия, приведенной на рис. 5, а также предъявляет минимальные требования к ресурсам памяти.

Кроме деления устройств на RFD и FFD, альянсом ZigBee определены три типа логических устройств: ZigBee-координатор (согласующее устройство), ZigBee-маршрутизатор и оконечное устройство ZigBee. Координатор осуществляет инициализацию сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети. ZigBee-маршрутизатор отвечает за маршрутизацию сообщений, передаваемых по сети от одного узла к другому. Под оконечным устройством понимают любое оконечное устройство, подсоединенное к сети. Рассмотренные выше устройства RFD и FFD как раз и являются оконечными устройствами. Тип логического устройства при построении сети определяет конечный пользователь посредством выбора определенного профиля (рис. 5), предложенного альянсом ZigBee. При построении сети с топологией «каждый с каждым» передача сообщений от одного узла сети к другому может осуществляться по разным маршрутам, что позволяет строить распределенные сети (объединяющие несколько небольших сетей в одну большую - кластерное дерево) с установкой одного узла от другого на достаточно большом расстоянии и обеспечить надежную доставку сообщений.

Трафик, передаваемый по сети ZigBee, как правило, разделяют на периодический, прерывистый и повторяющийся (характеризующийся небольшим временным интервалом между посылками информационных сообщений).

Периодический трафик характерен для приложений, в которых необходимо дистанционно получать информацию, например от беспроводных сенсорных датчиков или счетчиков. В таких приложениях получение информации от датчиков или счетчиков осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось ранее, любое оконечное устройство, в качестве которого в данном примере выступает беспроводной датчик, подавляющую часть времени работы должно находится в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым очень низкое энергопотребление. Для передачи информации оконечное устройство в определенные моменты времени выходит из режима «засыпания» и выполняет поиск в радиоэфире специального сигнала (маяка), передаваемого устройством управления сетью (ZigBee-координатором или ZigBee-маршрутизатором), к которой подсоединен беспроводной счетчик. При наличии в радиоэфире специального сигнала (маяка) оконечное устройство осуществляет передачу информации устройству управления сетью и сразу же переходит в режим «засыпания» до следующего сеанса связи.

Прерывистый трафик свойственен, например, для устройств дистанционного управления освещением. Представим ситуацию, когда необходимо при срабатывании датчика движения, установленного у входной двери, передать команду на включение освещения в прихожей. Передача команды в данном случае осуществляется следующим образом. При получении устройством управления сетью сигнала о срабатывании датчика движения оно выдает команду оконечному устройству (беспроводному выключателю) подключиться к беспроводной сети ZigBee. Затем устанавливается соединение с оконечным устройством (беспроводным выключателем) и выполняется передача информационного сообщения, содержащего команду на включение освещения. После приема команды соединение разрывается и выполняется отключение беспроводного выключателя от сети ZigBee.

Подключение и отключение оконечного устройства к сети ZigBee только в необходимые для этого моменты позволяет существенно увеличить время пребывания оконечного устройства в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым минимальное энергопотребление. Метод использования специального сигнала (маяка) является гораздо более энергоемким.

В некоторых приложениях, например охранных системах, передача информации о срабатывании датчиков должна осуществляться практически мгновенно и без задержек. Но надо учитывать тот факт, что в определенный момент времени могут «сработать» сразу несколько датчиков, генерируя в сети так называемый повторяющийся трафик. Вероятность данного события невелика, но не учитывать его в охранных системах недопустимо. В беспроводной сети ZigBee для сообщений, передаваемых в беспроводную сеть при срабатывании сразу нескольких охранных датчиков (оконечных устройств), предусмотрена передача данных от каждого датчика в специально выделенном временном слоте. В технологии ZigBee специально выделяемый временной слот называют гарантированным временным слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наличие в технологии ZigBee возможности предоставлять гарантированный временной слот для передачи неотложных сообщений позволяет говорить о реализации в ZigBee метода QoS (качество обслуживания). Выделение гарантированного временного слота для передачи неотложных сообщений осуществляется сетевым координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

При разработке аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee, реализующей модель взаимодействия, практически все производители придерживаются концепции, в соответствии с которой вся аппаратная часть размещается на одном чипе. На рис. 7 приведена концепция исполнения аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee.

Рис. 7. Концепция исполнения аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee

Для построения беспроводной сети (например, сеть с топологией «звезда») на основе технологии ZigBee разработчику необходимо приобрести по крайней мере один сетевой координатор и необходимое количество оконечных устройств. При планировании сети следует учитывать, что максимальное количество активных оконечных устройств, подсоединенных к сетевому координатору, не должно превышать 240. Кроме того, необходимо приобрести у производителя ZigBee-чипов программные средства для разработки, конфигурирования сети и создания пользовательских приложений и профилей. Практически все производители ZigBee-чипов предлагают на рынке целую линейку продукции, отличающейся, как правило, только объемом памяти ROM и RAM. Например, чип со 128 Кбайт ROM и 8 Кбайт RAM может быть запрограммирован на работу в качестве координатора, маршрутизатора и оконечного устройства.

Высокая стоимость отладочного комплекта, в состав которого входит набор программных и аппаратных средств для построения беспроводных сетей ZigBee любой сложности, является одним из сдерживающих факторов массового распространения технологии ZigBee на рынке России. Необходимо отметить, что появление технологии беспроводной передачи ZigBee стало определенным ответом на потребности рынка создания интеллектуальных систем управления частными домами и строениями, спрос на которые с каждым годом увеличивается. Уже в ближайшем будущем частные дома и строения будут оснащены огромным количеством беспроводных сетевых узлов, осуществляющих мониторинг и управление системами жизнеобеспечения дома. Инсталляция данных систем может быть произведена в любое время и за короткие сроки, так как не требует разводки в здании кабелей.

Перечислим приложения, в которые может быть интегрирована технология ZigBee:

• Системы автоматизации жизнеобеспечения домов и строений (удаленное управление сетевыми розетками, выключателями, реостатами и т. д.).
• Системы управления бытовой электроникой.
• Системы автоматического снятия показаний с различных счетчиков (газа, воды, электричества и т. д.).
• Системы безопасности (датчики задымления, датчики доступа и охраны, датчики утечки газа, воды, датчики движения и т. д.).
• Системы мониторинга окружающей среды (датчики температуры, давления, влажности, вибрации и т. д.).
• Системы промышленной автоматизации.

Заключение

Приведенный в статье краткий обзор технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee показывает, что даже для имеющих опыт разработчиков бывает затруднительно однозначно отдать предпочтение той или иной технологии только на основании технической документации.

Поэтому подход к выбору должен основываться на комплексном анализе нескольких параметров. Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee приведены в таблице 4. Эта информация поможет принять правильное решение при выборе технологии беспроводной передачи данных.

Таблица 4. Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee

Литература

1. В.А. Григорьев, О.И. Лагутенко, Ю.А. Распаев. «Системы и сети радиодоступа», М.,:ЭкоТрендз, 2005 г.
2. www.ieee.com
3. www.chipcon.com
4. www.ember.com
5. www.BlueTooth.org

Человек – существо ленивое. Ему куда проще нажать пару кнопок, сидя на диване, нежели пойти на кухню и ткнуть те же кнопки на чайнике или тостере. Вот, наверное, так и появился архаичный инфракрасный пульт ДУ для телевизоров, а затем и прочей техники - от стереосистем до кондиционеров.

А «умные» беспроводные технологии, на самом деле, появились в бытовой технике много лет назад. И сначала их предназначение было сугубо утилитарным: люксовые стиральные машины Miele могли с помощью Wi-Fi обновлять свою прошивку и добавлять новые программы стирки.

Расширение возможностей

Бытовая техника с Wi-Fi дня сегодняшнего использует интернет в основном для дистанционного управления (например, чтобы запустить чайник или сварить кофе к вашему приходу) или же для скачивания новых рецептов (в случае мультиварок или кофемашин).

Вообще, этот дистанционный запуск породил такую, казалось бы, дикую вещь как чайник с «голубым зубом» (который подключается к управляющему модулю с Wi-Fi-приемопередатчиком). Да, это самый обычный чайник, в котором есть самый настоящий Bluetooth. Для чего? Чтобы запустить со смартфона, прийти на кухню и налить себе чай. И если в случае с кофеваркой это еще как-то можно оправдать (запустил кофемолку, зерна смололись, затем кофе сварилось и приходишь на кухню за уже готовым напитком), то в случае электрочайника это кажется пока что как минимум странным: они вскипают за минуту, поэтому на первый взгляд данная функция кажется излишним наворотом. С другой стороны, если кипятить воду для детского питания и зеленого чая, это может уже занять какое-то время и тогда Wi-Fi приобретает какой-то смысл.

Однако, есть и ощутимый плюс от новых технологий: расширенное управление бытовым прибором. То есть если у него очень много функций, управлять ими с небольшой и не всегда удачно продуманной панели управления иногда откровенно неудобно, и тут на помощь приходит смартфон/планшет, на экране которого можно отображать сколько угодно много функций. Это открывает перед производителями просто огромные возможностями, и они уже начали ими пользоваться.

Будущее

В идеале беспроводные технологии должны обслуживать человека по полной программе. Холодильник сам заказывает необходимые продукты на основе списка с оплатой по карте (некоторые уже умеют это делать), сам себя диагностирует и вызывает мастера в случае неполадки (первую часть они уже тоже умеют), сам следит за состоянием продуктов и предупреждает об окончании срока их действия. Стиральная машина вкупе с сушильной сама будет дозировать порошок и кондиционер, сама все постирает и переложит в свою сушильную часть для сушки, а человеку останется только вынуть и погладить сухое белье.

На кухне тоже будут хозяйничать бытовые приборы с Wi-Fi. Кофеварка сама сварит кофе или чайник – чай к вашему приходу (уже могут), в мультиварке приготовится аппетитный ужин или завтрак (тоже уже умеют, разве что класть не могут в себя ничего), телевизор запишет интересную передачу по Дискавери и покажет ее как раз в момент ужина или завтрака (и это тоже уже давно возможно).

Все это должно происходить под полным и жестким контролем пользователя. То есть он в любой момент может зайти в управляющий интерфейс и посмотреть, как дела у чайника и достаточно ли там воды. А при необходимости ее можно и добавить (вот этого приборы пока не умеют).

Приложение для контроля бытовой техники тоже должно быть унифицировано. Если сейчас каждый вендор разрабатывает собственную экосистему для своих устройств, то в идеале будущего все приборы должны работать на единой ОС под управлением должным образом разработанных протоколов связи. Которые будут удобны, с открытым исходным кодом, а главное – безопасны в использовании.

Именно вопрос безопасности немаловажным является уже сейчас. У элементов системы умного дома сегодня безопасность хромает на обе ноги, и это идеальная среда для проникновения разного рода мошенников напрямую в ваш дом. Управляющие интерфейсы для бытовой техники сегодня защищены тоже очень слабо, поскольку пока еще системы умного дома не настолько имплементированы в нашу жизнь, чтобы на каждом шагу возникали прецеденты.

Что же есть на рынке?

Разнообразнее всего сейчас на рынке бытовая техника со встроенными беспроводными протоколами от Redmond: этот производитель первым начал массово выпускать приборы с беспроводными технологиями для дистанционного управления через фирменное приложение R4S, но по достаточно высокой цене, оправданной разве что для новинки. Огромный минус всех Wi-Fi-девайсов Redmond упомянут выше: необходимость держать дома дополнительный гаджет, который будет передавать Bluetooth от прибора в Wi-Fi домашней сети (а далее - везде). Это мультиварка SkyCooker M800S (9 тыс. руб.), весы кухонные SkyScales 741S (2,5 тыс. руб.), капельная кофеварка со встроенной кофемолкой SkyCoffee M1505S (9 тыс. руб.), напольные весы SkyBalance 740S (4,5 тыс. руб.) и чайник SkyKettle M170S (7 тыс. руб.).

Есть и малоизвестные производители. К примеру, кухонные смарт-весы Bite от компании BlueAnatomy за 9 тыс. рублей. Или напольные весы Fitbit Aria Smart Scale со средней ценой в 12 тыс. рублей. Чайники с Wi-Fi выпускает и Polaris: модель PWK 1792 CGL с 12-ю (!) программами кипячения воды за 6.5 тыс. руб.

А кофемашина за 170 тыс. рублей Philips Saeco GranBaristo Avanti HD8969 с Bluetooth – высший пилотаж даже с полностью автоматической очисткой. И, кстати, это именно тот случай, когда все богатство функциональности сосредоточено в приложении для планшета (для смартфона экран маловат будет).

Духовки с Wi-Fi на российском рынке представлены сейчас фирмой Gorenje, но их цена в 80–100 тыс. рублей уже совсем не радует, а возможности загрузки новых рецептов таких денег не стоят совсем.

Сплит-системы с Wi-Fi тоже уже не редкость: есть как модели от Timberk в широком ценовом диапазоне от 16 до 60 тыс. рублей серий АС TIM и STORM, так и просто модули, дополняющие функционал обычных кондиционеров от Haier или Fujitsu.

А вот в сегменте мультиварок все гораздо интереснее: некоторые из них умеют даже скачивать новые рецепты через Интернет. На российском рынке представлены в основном вышеупомянутая модель от Redmond и мультиварки от Polaris: именно во множественном числе, так как их наберется почти десяток в ценовом диапазоне от 9 до 19 тыс. рублей.

Можно ли без этого обойтись?

Безусловно, без Wi-Fi и Bluetooth в бытовой технике обойтись можно. Наши бабушки и котелки над кострах вешали, чтобы вскипятить воду, а о мультиварках даже и не мечтали. Смысл этого новшества вполне очевиден, как и технологического прогресса вообще: облегчить жизнь человеку, чтобы у него оставалось больше времени на более приятные занятия, нежели готовка, варка кофе, выпечка и прочие обыденные работы по дому. Роботы-пылесосы, опять же, могут эту жизнь облегчить.

С другой стороны, проблем появляется даже больше. Придумали социальные сети для мгновенного общения без использования телефонов – и люди почти перестали общаться друг с другом вживую. Внедрили робот-пылесос в экосистему «умного дома» - но влажная уборка пола по-прежнему актуальна, и покупка очередной инновации – паровой швабры – не решает проблему полностью, а просто предлагает еще один способ этого решения. Посудомоечная машина избавляет вроде бы от необходимости вручную мыть посуду и даже воду экономит – но тарелок должно быть очень много (средняя посудомойка рассчитана на 8-10 комплектов посуды для полной загрузки), плюс раковину все равно придется использовать, смывая остатки пищи.

Сюда можно добавить и тот факт, что техника с беспроводными технологиями сегодня уже усложняет жизнь. Скажем, вышеупомянутая серия беспроводных кухонных приборов Redmond R4S (Ready for Sky!) вместо того, чтобы подключаться к обычному домашнему роутеру по 802.11, подключается к еще одному гаджету наподобие планшета или смартфона по Bluetooth (то есть вам нужно иметь постоянно лежащий дома смартфон или планшет), на него ставится управляющая программа, и уже она связывается с пользователем и позволяет управлять чайником и кофеваркой. Зачем нужно было так накрутить - до конца непонятно. Возможно, потому, что модуль Wi-Fi в каждом устройстве мог сделать их дороже. Но это маловероятно, поскольку модули на самом деле стоят копейки: а вот то, что они могли усложнить программную или аппаратную часть в принципе - это может быть. И вряд ли мы сильно ошибемся, если предположим, что внедрение Bluetooth/Wi-Fi в приборы еще принесет массу других сюрпризов. К тому же цена на них пока еще очень высока: понятно, что в нее входит не только цена копеечного модуля Wi-Fi/Bluetooth, но и работа как инженеров, так и программистов.

Ответить на вопрос «покупать или нет» сегодня можно так: скорее нет, чем да. Да, сейчас еще есть некий «вау-эффект» от того, что можно, лежа в кровати, сварить себе кофе. Безусловно, удобно с работы запустить мультиварку, чтобы поужинать сразу же по возвращении. Но различные «детские болезни» наподобие избыточного количества устройств у девайсов Redmond SkyCooker пока еще только начали проявляться, и, поскольку сегмент только начал развиваться, они еще прибавятся.