Беспроводные сети – как это работает —

Краткая характеристика технологий

Приведем краткую характеристику технологий беспроводной передачи данных, а затем осуществим их сравнительный анализ. Традиционно в данной области телекоммуникаций (и не только здесь) конкурируют американские стандарты IEEE, европейские стандарты ETSI и фирменные стандарты.

Технология ZigBee продвигается организацией ZigBee Alliance, ставящей своей целью обеспечение верхних слоев семиуровневой модели стеком протоколов (от сетевого уровня до уровня приложений), включая профили приложений и инженерную реализацию компонентов данной технологии.

К разработке соответствующего стандарта низкоскоростной передачи данных подключился комитет IEEE 802.15.4, разрабатывающий уровни MAC (управление доступом к среде передачи — media access control) и PHY (уровень передачи сигналов в физической среде) семиуровневой модели.

Назначение данной технологии — обеспечить компонентами системы автоматизации и дистанционного управления различного назначения. При этом для АТ была поставлена цель обеспечения их автономным батарейным питанием двумя элементами типа АА в течение времени от полугода до двух лет.

Варианты применения устройств, построенных на основе данной технологии: беспроводные системы обеспечения безопасности жилища от несанкционированного проникновения в них; удаленное управление кондиционерами, системой освещения помещений и оконными жалюзи; управление какими-либо устройствами инвалидами, пожилыми людьми и детьми; универсальное управление аудио и видеоустройствами; беспроводные клавиатура, мышь ПК, пульт управления игровой приставкой; беспроводные детекторы задымления и наличия СО; автоматизация и управление элементами промышленных и жилых помещений (освещением и т.п.).

Предусматривается разработка шлюзов для взаимодействия данных систем с другими сетями передачи данных.

Используемые частоты: ISM (2,4 ГГц со скоростью 250 кбит/с), европейский диапазон 868 МГц (20 кбит/с) и американский диапазон 915 МГц (40 кбит/с).

Технология Bluetooth — это технология передачи данных по радио на малые расстояния (до 10 м, с возможностью расширения до 100 м), позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии, не требуя прямой видимости. По мощности радиопередатчика аппаратура делится на три класса: первый (максимальная выходная мощность 100 мВт), второй (2,5 мВт) и третий (1 мВт).

Разработку технологии начала компания Ericsson Mobile Communications. Первоначальной ее целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и гарнитурами.

В феврале 1998 года. Ericsson совместно с Intel, IBM, Toshiba и Nokia сформировали специальную группу по разработке и продвижению технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Эта технология полностью открыта, а поэтому любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на ее основе.

Семейство стандартов IEEE 802.11х разрабатывается американским институтом IEEE. Стандарт IEEE 802.11, разработка которого была завершена в 1997 г., является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (WLAN).

Основные из них — протокол управления доступом к среде MAC (нижний подуровень канального уровня) и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. Стандартом 802.

11 определен единственный подуровень MAC, взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня, соответствующих различным технологиям передачи сигналов — по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS) и ППРЧ (FHSS), а также с помощью инфракрасного излучения.

Спецификациями стандарта предусмотрены два значения скорости передачи данных — 1 и 2 Мбит//с. По сравнению с проводными ЛВС Ethernet-возможности подуровня MAC расширены за счет включения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высокого уровня, в частности, процедур фрагментации и ретрансляции пакетов.

В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance — множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением столкновения пакетов).

Управление питанием.Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, используемых в беспроводных ЛВС, стандартом 802.11 предусмотрен механизм переключения станций в так называемый пассивный режим с минимальным потреблением мощности.

Архитектура и компоненты сети. В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура,причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, являющейся ТД, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания.

Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания.

Роуминг. Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), однако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает.

Обеспечение безопасности. Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен целый комплекс мер безопасности передачи данных под общим названием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противодействия несанкционированному доступу к сети (механизмы и процедуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информации (шифрование).

Сейчас наибольшее распространение получил стандарт IEEE 802.11b. Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛВС Ethernet, а также ориентации на диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей.

В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный так же, как Wi-Fi (Wireless Fidelity), был принят в 1999 году. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, стандартом 802.

11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены. Дальнейшим развитием семейства IEEE 802.11x явился стандарт IEEE 802.

11a, который предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 году, определены три обязательных скорости — 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных — 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с). В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.

11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методо и радиотехнологиями DSSS и FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно.

В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала. К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц — около 100 м).

Для полноты рассмотрения возможностей семейства IEEE802.11x представим краткую характеристику ряда других стандартов и их спецификаций. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.

11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот и т.д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки. Спецификации другого разрабатываемого стандарта 802.11е позволяют создавать мультисервисные беспроводные ЛС, ориентированные на различные категории пользователей, как корпоративных, так и индивидуальных.

При сохранении полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и 802.11b он позволит расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS). Спецификации 802.11f описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных.

Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих спецификаций 802.11 MAC и 802.11a PHY алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля излучаемой мощности и генерации соответствующих отчетов.

Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных ETSI. Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами.

Спецификации стандарта IEEE 802.11i позволят расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций.

В основе стандарта лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон — вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS).

В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами. Разрабатываемые средства защиты данных должны найти применение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях — Ethernet и Token Ring.

Спецификации стандарта 802.11g, находящиеся сейчас в стадии рассмотрения, представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛВС до 22 Мбит/с (а возможно, и выше) благодаря использованию более эффективной модуляции сигнала.

Спецификации стандарта 802.11j будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2.

Нельзя не упомянуть деятельность IEEE в области технологий LMDS и MMDS (правый верхний угол рис.2). Местные и многоканальные многоточечные распределительные системы LMDS и MMDS (которые называют так-же «сотовым телевидением » и «беспроводным КТВ »), первоначально предназначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспроводной передачи данных на «последней миле ».

Радиус действия передатчиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1 –2,7 ГГц, может достигать 40 –50 км, в то время как максимальная дальность передачи сигнала в системах LMDS, использующих значительно более высокие частоты в области 27 –31 ГГц, составляет 2,5 –3 км.

Массовому распространению этих систем до сих пор мешало отсутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовместимость продуктов разных производителей. В начале 2000 года для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи в IEEE был создан рабочий комитет 802.16.

Первоначально он сосредоточился на вопросах стандартизации систем LMDS диапазона 28 –30 ГГц, однако вскоре полномочия комитета были распространены на область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе образовано несколько рабочих групп. Группа 802.16.1 разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для систем, использующих диапазон 10 –66 ГГц.

Рабочая группа 802.16.2 занимается вопросами «сосуществования » сетей фиксированного широкополосного доступа в нелицензируемых диапазонах 5 –6 ГГц (в частности, с беспроводными ЛС на базе стандарта 802.11а). Наконец, группа 802.16.3 готовит спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2 –11 ГГц.

Стандарты разрабатываются на базе единой эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех типов в тракте связи между абонентскими устройствами или сетями (например, ЛВС или учрежденческими АТС) и транспортной сетью (ТфОП или Интернет). Первый радиоинтерфейс определяет взаимодействие абонентского приемо-передающего узла с базовой станцией, второй включает в себя два компонента, охватывающие обмен сигналами между радиоузлами и «находящимися за ними » сетями — абонентской и транспортной (в детальной проработке спецификаций этого интерфейса участвуют и другие комитеты IEEE).

Комитетом 802.16 уже приняты предварительные спецификации радиоинтерфейсов систем диапазона 10 – 66 ГГц, использующих технологии доставки сигнала с одной несущей. Стандарт 802.16а определяет для систем диапазона 2 – 11 ГГц оба метода передачи сигнала — с одной несущей и OFDM, а стандарт 802.16b для диапазона 5 – 6 ГГц определяет технологию OFDM.

Европейским «ответом » созданию американских стандартов явилась разработка технологии HiperLAN2 (High Perfomance Radio LAN), которая обещает стать основным конкурентом технологий беспроводных ЛС 802.11. Инициаторами и активными сторонниками нового стандарта являются компании Nokia и Ericsson.

Так же, как и 802.11а, стандарт HiperLAN2 ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и способен обеспечить скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Оба стандарта используют сходные методы модуляции сигнала на основе мультиплексирования с ортогональным разделением частот (OFDM), однако имеют различные спецификации протоколов доступа к среде MAC. Если для 802.

11а он аналогичен Ethernet, то в HiperLAN2 больше напоминает АТМ. Другим отличием HiperLAN2 от 802.11а, которое может дать ему некоторое преимущество над конкурентом, стала поддержка трафика мультимедиа и QoS (802.11а ориентирован в основном на передачу данных). По информации ETSI, разработка стандарта ведется с учетом совместимости оборудования с системами 802.11а.

Американская технология HomeRF ориентирована на создание «домашней мультимедийной среды », объединяющей в себе каналы передачи данных, телефонии, аудио-и видео-информации, возможно в перспективе телеметрии охранных систем и систем жизнеобеспечения. Кроме того, технология позволяет обеспечить выход в Интернет с достаточно большой скоростью.

Отсюда и предъявляемые требования к технологии: низкая стоимость, малое энергопотребление (особенно для портативных устройств), уменьшенные габариты, простота технической и программной инсталляции. Структура домашней мультимедийной сети, построенной по технологии HomeRF, представлена на рис.3.

Технология использует диапазон рабочих частот 2,4 ГГц, применяется адаптивная ППРЧ с числом скачков 50 – 100 в секунду. Первый вариант стандарта обеспечивал пиковую скорость передачи данных до 1,6 Мбит/с и типичную дальность связи до 50 м. Второе поколение HomeRF 2.

0 позволяет передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Оба варианта характеризуются в настоящее время малым потреблением мощности абонентскими терминалами в режиме ожидания при наличии связности по протоколу TCP/IP (менее 10 мВт в режиме «on line »). Третье поколение технологии обеспечит скорость передачи до 20 Мбит/с.

Спецификации, описывающие сетевой интерфейс, относятся к двум нижним слоям семиуровневой модели OSI (Open Systems Interconnection)(рис.4).

Второй уровень (управление передачей данных — data link control, DLC) в данном случае определяет управление доступом к среде передачи (MAC) и обеспечивает особенности передачи речи или приоритетных данных, безопасность связи, роуминг и соответствие верхним уровням модели.

Технология HomeRF обеспечивает три типа передачи данных (рис.4):

• асинхронный, без установления соединения типа «передача данных пакетами» (или «беспроволочный Ethernet») на основе протокола TCP/IP («Ethernet » Data Path);
• распределенный по приоритетам — сеансовая передача мультимедийных данных на основе UDP/IP (Streaming Data Path);
• изохронная, дуплексная, симметричная, двусторонняя передача для ведения телефонных переговоров в соответствии с DECT-протоколом (Toll Quality Voice Path).

Временной домен построен таким образом, что в пределах временного интервала (10 или 20 мс) первыми передаются приоритетные данные (всего возможно наличие до восьми уровней приоритета). Последняя часть основной длительности домена предназначена для передачи сигналов речевого обмена и делится на соответствующее число слотов фиксированной длины.

Передача речи организуется на основе протоколов верхнего уровня стандарта DECT. Более того, в технологии HomeRF непосредственно применяются технические решения производителей оборудования DECT. Важным является то, что чем меньше речевой обмен, тем выше скорость передачи данных.

В зависимости от величины речевого трафика 10 или 20 мс длительности временного домена отводится для передачи асинхронного трафика. Одновременно может осуществляться передача до восьми потоков пакетов, при этом очередность передачи определяется заданным приоритетом.

Однако, если число потоков меньше восьми, резервирование пакетов (задержка передачи) отсутствует. Последняя часть домена обеспечивает передачу потерянных речевых пакетов на другой частоте, что уникально в данной технологии и позволяет обеспечить качество передачи речи, соответствующее проводной связи.

Сравнение ряда технологий

Начнем с левого нижнего угла рисунка и сравним между собой технологии Bluetooth и ZigBee. Результаты сравнительного анализа представлены в виде таблицы 2.

Примечания:

1. Скорость передачи в радиолинии, использующей дискретные, например, цифровые сигналы, измеряется в бодах, что соответствует числу дискретных изменений параметров сигнала в единицу времени. Иногда данный параметр называют технической скоростью передачи, так как он характеризует работу модема радиолинии. Информационная скорость передачи измеряется в битах или байтах, передаваемых в единицу времени, и характеризует производительность источника информации. Потребителя интересует «битовая » скорость передачи, а производитель реализует ее с помощью конкретного модема. Отсюда следует расхождение в значениях данных параметров для одной и той же радиолинии.
2. Абонентские терминалы могут находиться в трех режимах: активном (ведется передача), в режиме дежурного приема (терминал готов к немедленной передаче) и режиме «сна », из которого терминал выходит лишь периодически и достаточно долго. Последний режим резко уменьшает энергопотребление абонентского терминала.

Теперь сравним между собой технологии HomeRF и IEEE802.11х. В качестве показателей соответствия рассматриваемых технологий решаемым задачам примем следующее: стоимость, качество речевого обмена, поддержку мультимедийного обмена, скорость передачи данных, дальность связи, потребляемую мощность, массо-габаритные параметры, топологию сети, внешнюю ЭМС, внутреннюю ЭМС, защиту от перехвата и наличие роуминга вне помещения. Технологии будем сравнивать по абсолютным показателям данных параметров.

Стоимость.Более низкая сложность дает HomeRF преимущество по стоимости перед IEEE802.11. В ближайшие несколько лет при одинаковых объемах производства HomeRF будет иметь преимущество по параметру ВОМ (Bill of Materials) не менее чем с коэффициентом 2.

Качество речевого обмена.Технология HomeRF обеспечивает многоканальный речевой обмен с показателями качества, соответствующими проводной связи, а технология IEEE802.11 явно не удовлетворяет современным требованиям. В данном аспекте HomeRF ориентируется на стандарт DECT с его проверенной технологией. IEEE802.

11 вообще не ориентирован на речевой обмен, для обеспечения которого необходимо использование специальных дополнительных устройств. Однако и в этом случае передача речи не защищена от внешних воздействий. В наличии и такой недостаток, как несовместимость с технологией DECT.

Поддержка мультимедийного обмена.Технология HomeRF поддерживает независимую от речевого обмена многонаправленную мультимедийную передачу с несколькими приоритетами доступа. IEEE802.11b и IEEE802.11а позволяют передавать данные с большой скоростью, однако при наличии значительного трафика асинхронных данных на сети возможны нежелательные последствия.

Скорость передачи данных. HomeRF и IEEE802.11 обеспечивают необходимую для высокоскоростной системы скорость передачи, но для HomeRF его дальнейшее развитие до скоростей порядка 20 Мбит/с не связано с такими глобальными проблемами, как для IEEE802.

11 (переход в новый диапазон частот). IEEE802.11b также развивается в направлении увеличения скорости передачи данных до 20 Мбит/с с сохранением обратной совместимости (группа разработки IEEE802.11g), однако предлагаемые решения приводят к нарушению существующих правил использования диапазона 2,4 ГГц. Скорее успеха добьется IEEE802.11а, но она не обладает совместимостью с существующей IEEE802.11b.

Дальность связи.IEEE802.11 первоначально была рассчитана на работу при отсутствии внешних мешающих воздействий, в то время как HomeRF разработана для условий сложной электромагнитной обстановки.

Потребляемая мощность. Технология HomeRF оптимизирована для низкого энергопотребления АТ в режиме ожидания. То же относится и к активной фазе работы устройств.

Массо-габаритные параметры. Техника HomeRF имеет значительно более простое устройство портативных компонентов. Для IEEE802.11 также широко применяются PC Card (или PCMCIA Card), однако наименьшие параметры соответствуют Compact Flash Card, которая пока может использоваться только в HomeRF.

Топология сети. Технология HomeRF одновременно поддерживает взаимодействие элементов иерархической сети и элементов одноуровневой сети. Иерархическая структура идеальна для высококачественной передачи речи и интернет-приложений типа webcasting.

Одноуровневая структура удобна при эффективном распределении ресурсов сети (например, для доступа к обслуживающему прибору). Bluetooth — по существу система типа «точка — многоточка». Это эффективно в сети «главный компьютер/сеть пользователей » (особенно с учетом того, что главный элемент может не определяться заранее).

Однако данный факт изначально определяет неэффективное использование «пропускной способности системы » в целом. Варианты стандарта IEEE802.11 могут функционировать в обоих типах сетей (PCF — Point Coordination Function или DCF — Distributed Coordination Function), но не одновременно в обоих.

Существующие изделия варианта IEEE802.11b функционируют только в DCF. Уменьшение потребляемой мощности и реализацию приоритетной передачи данных можно достичь в более сложной и дорогой PCF. Исследовательская группа IEEE802.11e активно изучает вопросы развития PCF на основе изменения уровня MAC, что может в корне изменить развитие технологии варианта IEEE802.

Внешняя ЭМС. HomeRF был изначально разработан, чтобы успешно противодействовать внешнему вмешательству в диапазоне 2,4 ГГц. Для сохранения высокого качества речевого обмена в условиях воздействия внесистемных помех предусмотрена особая технология повторной передачи пораженных речевых пакетов.

В отсутствие предельного трафика речевого обмена обеспечивается качественная передача потоков данных на основе использования ППРЧ. К настоящему времени стандарт IEEE802.11b исследован гораздо больше на предмет эффекта воздействия нежелательных излучений, хотя имеющиеся данные во многом противоречивы.

Так, например, большинство пользователей не обращает внимания на уменьшение на 10 –40% скорости передачи устройства, находящегося рядом с микроволновой печью. Большой проблемой для сетей IEEE802.11 являются существенные флуктуации качества передачи речи при значительном объеме передачи данных (внутренняя перегрузка сети).

Внутренняя ЭМС. Цель разработки IEEE802.11 — эффективная организация ЛВС на одном большом предприятии, а не на многих малых, размещенных рядом друг с другом. Оптимизировалась производительность системы в целом, а не одного или группы пользователей.

Защита от перехвата. Рассматриваемые стандарты являются цифровыми и использование стандартных процедур шифрования и аутотенфикации защищают их на бытовом уровне от радиоперехвата. Однако от специальных систем они не имеют достаточной защиты.

Проведенные исследования показали вскрываемость системы защиты IEEE02.11b и возможность подключения устройства пользователя к внешней сети для несанкционированного доступа к его информации или ввода в него дезинформации даже без определения шифроключа. HomeRF обеспечивает лучшую защиту на логическом уровне.

Роуминг вне помещения.Обеспечивается обоими стандартами.

Интегральный вывод из проведенного анализа целого ряда технологий следующий: каждая технология разработана для своей цели. Стандарт IEEE802.11 рассчитан на использование в сфере бизнеса. Технология HomeRF предназначена для создания домашней мультимедийной сети с широкополосным доступом пользователей к Интернету.

В настоящее время преодолеть разногласия отдельных групп разработчиков и производителей технологий передачи данных не удалось. Удастся ли создать единую технологическую платформу для передачи данных? Пока что решение этой задачи не очевидно.

А еще у нас есть журнал «Беспроводные технологии»