Беспроводная передача данных. Особенности построения мобильных сетей.
Технология bluetooth. Архитектура bluetooth. Оборудование для локальных сетей с
разделяемой средой. Сети wi-fi. Архитектура, принцип построения сетей.
В 1994 году начались работы по изучению возможности использования мобильных, сетевых коммуникаций. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия.
34
Проект получил название Bluetooth. Существует официальная версия происхождения названия, согласно которой, прозвище Гарольда I Синезубого Гормссона
(Harold Bluetooth); 930-986) — короля Дании и Норвегии, было дано технологии, призванной объединить различные электронные устройства, подобно тому, как Гарольд объединил народы на территории современных Дании и Сконе, где и была разработана эта технология.
Bluetooth – это обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, ноутбуки, принтеры, мобильные телефоны, мышки, клавиатуры, цифровые фотоаппараты, джойстики и наушники на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10 - 100 метров друг от друга
(дальность очень зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится — и из локальных сетей.
В 2002 году IEEE утвердил стандарт 802.15.1. Технология Bluetooth использует не лицензируемый (практически везде кроме России) частотный диапазон 2,4 2,4835ГГц. При этом используются широкие защитные полосы: нижняя граница частотного диапазона составляет 2ГГц, а верхняя - 3,5ГГц. Точность заданий частоты (положение центра спектра) задается с точностью ± 75 кГц. Дрейф частоты в этот интервал не входит.
По мощности передатчики делятся на три класса: 100мВт (для связи до 100м;
20дБм); 2 мВт (до 10м; 4дБм) и 1 мВт (10см; 0дБм). Коэффициент модуляции при этом лежит в диапазоне (0,28-0,35). Чувствительность приемника должна быть не хуже 70дБм.
BER (Bit Error Rate) для приемника должна находиться на уровне <0,1%.
Для первого класса предусмотрено регулирование мощности. Регулировка осуществляется на основе анализа числа ошибок. Протокол использует коммутацию каналов и пакетов. Передача данных выполняется с использованием алгоритма доступа
Time-Division Duplex Multiple Access. Каждый пакет передается с использованием иного частотного канала по отношению к предыдущему.
Структура протоколов Bluetooth не следует моделям OSI, TCP/IP и даже 802
(ведутся работы по адаптации Bluetooth к модели IEEE 802). Физический уровень протокола соответствует базовым принципам моделей OSI и 802.
Разработчики потратили много усилий, чтобы сделать протокол как можно дешевле для реализации.
Основу сети Bluetooth составляют пикосети (piconet), состоящие из одного главного узла и до семи клиентских, размещенных в радиусе 10 м (Рисунок 18).
35
Рисунок 18 - Две пикосети, образующие рассеянную сеть
Все узлы такой сети работают на одной частоте и разделяют общий канал. В одной достаточно большой комнате могут располагаться несколько пикосетей. Эти сети могут связываться друг с другом через мосты. Пикосети, объединенные вместе, составляют рассеянную сеть (scatternet). Поскольку в каждой пикосети имеется свой master, последовательность и фазы переключения их частот не будут совпадать. Если пикосети взаимодействуют друг с другом, это приводит к понижению пропускной способности.
Устройство Bluetooth может выступать в качестве клиента в нескольких пикосетях, но главным узлом (master) может быть только в одной пикосети. Кроме 7 активных клиентских узлов главный узел может поддерживать до 255 пассивных (спящих) узлов
(переведенных управляющим узлом в режим пониженного энергопотребления).
Wi-Fi – это современная беспроводная технология соединения компьютеров в локальную сеть.
Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «высокая точность беспроводной передачи данных») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.
С увеличением числа мобильных пользователей возникает острая необходимость в оперативном осуществлении коммуникаций между ними, в обмене данными, в быстром получении информации. Поэтому естественным образом происходит интенсивное развитие технологий беспроводных коммуникаций, рынок которых на данный момент
36 развивается быстрыми темпами. Особенно это актуально в отношении беспроводных сетей. Или так называемых WLAN-сетей (Wireless Local Area Network). Сети Wireless
LAN – это беспроводные сети (вместо обычных проводов в них используются радиоволны). Установка таких сетей рекомендуется там, где развертывание кабельной системы невозможно или экономически нецелесообразно.
Беспроводные сети особенно целесообразны на предприятиях, где сотрудники активно перемещаются по территории во время рабочего дня с целью обслуживания клиентов или сбора информации (крупные склады, агентства, офисы продаж, учреждения здравоохранения и др.).
Благодаря функции роуминга между точками доступа пользователи могут перемещаться по территории покрытия сети Wi-Fi без разрыва соединения.
WLAN-сети имеют ряд преимуществ перед обычными кабельными сетями:
- WLAN-сеть можно очень быстро развернуть, что очень удобно при проведении при проведении презентаций или условий работы вне офиса;
- пользователи мобильных устройств, при подключении к локальным сетям, могут перемещаться в рамках действующих зон сети.
Вместе с тем необходимо помнить об ограничениях беспроводных сетей. Это, как правило, всё-таки меньшая скорость, подверженность влиянию помех и более сложная схема обеспечения безопасности передаваемой информации.
Сегмент Wi-Fi сети может использоваться как самостоятельная сеть,
либо в составе более сложной сети, содержащей как беспроводные, так и обычные проводные сегменты.
Основные элементы сети wifi
Для построения беспроводной сети используются Wi-Fi – адаптеры и точки доступа. Адаптер представляет собой устройство, подключающееся через слот расширения PCI, PCMCI, CompactFlash. Существуют также адаптеры с подключением через порт USB 2.0. Wi-Fi–адаптер выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Благодаря платформе Centrino все современные ноутбуки имеют встроенные адаптеры Wi-Fi, которые совместимы со многими современными стандартами. Wi-Fi- адаптерами, как правило, снабжены и КПК (карманные персональные компьютеры), что также позволяет подключать их к беспроводным сетям (Рисунок 19).
37
Рисунок 19 - Адаптеры сети WI-FI
Для доступа к беспроводной сети адаптер может устанавливать связь непосредственно с другими адаптерам.
Такая сеть называется - беспроводной одноранговой сетью. Адаптер может также устанавливать связь через специальное устройство – точку доступа. Такой режим называется - инфраструктурой.
Точка доступа(Рисунок 20) представляет собой автономный модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством. Через точку доступа осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными адаптерами, а также связь с проводным сегментом сети. Таким образом, точка доступа играет роль коммутатора.
Рисунок 20 - Точка доступа
Точка доступа имеет сетевой интерфейс (uplink port), при помощи которого эта точка может быть подключена к обычной проводной сети. Через этот же интерфейс может осуществляться и настройка точки.
Точка доступа может использоваться как для подключения к ней клиентов
(базовый режим точки доступа), так и для взаимодействия с другими точками доступа для построения распределенной сети (Wireless Distributed System, WDS). Это режимы
38 беспроводного моста «точка-точка» и «точка-много точек», беспроводный клиент и повторитель.
Доступ к сети обеспечивается путем передачи широковещательных сигналов через эфир. Принимающая станция может получать сигналы в диапазоне работы нескольких передающих станций. Станция-приемник использует идентификатор зоны обслуживания
(service set indentifier, SSID) для фильтрации получаемых сигналов и выделения того, который ей нужен.
Зоной обслуживания - называются логически сгруппированные устройства, обеспечивающие подключение к беспроводной сети.
Базовая зона обслуживания – это группа станций, связывающихся одна с другой по беспроводной связи.
Типы спутниковых систем. Геостационарные, среднеорбитальные, низкоорбитальные спутники. Группировки спутников. Сотовые системы связи. Характеристики сотовых систем связи. Аппаратура спутниковых и сотовых систем связи. Не известно, когда точно была придумана система радиосвязи, использующая объекты, движущиеся над Землей, но вполне возможно, что произошло это в 1945 году.
Именно тогда известный писатель-фантаст Артур Кларк придумал геостационарный спутник связи в виде гигантской платформы на орбите Земли, перемещающейся по ней синхронно с вращением планеты (на платформе размещалось оборудование, обеспечивающее передачу телефонных и телевизионных сигналов на всю планету).
Научное сообщество высоко оценило столь гениальное предвидение и дало геостационарной орбите второе имя – Clarke Belt ("Пояс Кларка").
Всего десять лет спустя были запущены первые искусственные спутники Земли, а с середины 60-х годов ХХ века начали работать первые геостационарные спутники связи.
Однако создание и запуск таких
спутников было делом чрезвычайно дорогим, а спутниковые ретрансляторы - настолько маломощными, что для приема их сигналов требовались большие наземные станции со специальными параболическими антеннами диаметром 10 и более метров. Поэтому в те годы спутниковая связь использовалась в основном для распространения
TV-программ между телецентрами и для межконтинентальной телефонной связи. Первой успешной попыткой создать систему мобильной спутниковой связи стала международная система Inmarsat. Сама идея такой системы (поначалу она предназначалась только для обеспечения связи с морскими
39 судами) была выдвинута еще в 1966 году. Однако ее реализация потребовала такой работы, что коммерческая эксплуатация системы была начата только в 1982 году. При этом стоимость, размеры и вес первых абонентских комплектов оборудования были столь велики, что они могли размещаться только на очень крупных морских судах.
В начале 90-х наступил новый этап в развитии систем мобильной спутниковой связи. А в качестве первой реальной системы персональной спутниковой связи можно назвать разработку совместной американо-канадской компании Orbcomm. Предельно снизив размеры, вес и стоимость спутников и их запуска, создатели системы сделали мобильную связь доступной для многих, и в 1995 году Orbcomm начала предоставлять услугу обмена данными и электронной почтой.
Принцип действия заключается в следующем. Любая система спутниковой связи состоит из 3-х основных элементов: космического сегмента (спутники, вращающиеся на орбитах вокруг Земли), наземных станций (служат для управления полетом спутников и передачи сигналов со спутников в наземные сети связи и обратно) и абонентских терминалов. Порядок работы спутниковых систем идентичен с обычными сотовыми, где функции центральных коммутаторов выполняют наземные станции, а роль базовых станций играют спутники. По типу используемых орбит спутниковые системы связи делятся на два класса: уже упоминавшиеся системы со спутниками на геостационарной орбите (расстояние до поверхности Земли – около 36 000 км) и негеостационарные.
Достоинством геостационарной орбиты является то, что угловая скорость вращения спутников на ней точно совпадает со скоростью вращения Земли, и каждый спутник оказывается как бы «висящим» над заданной точкой на экваторе. При этом один спутник может охватывать связью примерно треть всей поверхности планеты, за исключением полюсов. Основные недостатки геостационарных систем обусловлены большой удаленностью спутников от Земли и проявляются в сильном ослаблении принимаемых сигналов и в довольно большой их задержке при распространении - 0,24 с, что становится заметным даже при обычном телефонном разговоре (Рисунок 21).
40
Рисунок 21 - Спутниковая связь
Негеостационарные спутниковые системы обычно используют круговые орбиты двух типов: средневысотные (MEO, высота - 5000 - 15 000 км) и низкоорбитальные (LEO, высота - 500 - 2000 км). При этом один MEO-спутник способен охватить связью до 25% поверхности Земли, а для построения глобальной системы связи требуется около 10 ИСЗ.
Зона покрытия LEO-спутника значительно меньше – 3 - 7%, и глобальная система должна содержать уже порядка 50 ИСЗ.
Такой выбор орбит не прихоть разработчиков - он продиктован расположением в околоземном пространстве так называемых зон Ван Аллена – поясов заряженных частиц, удерживаемых магнитным полем Земли. Оборудование ИСЗ,
расположенных вне указанных орбит, будет подвергаться сильной "бомбардировке" частицами и быстро выйдет из строя.
Все геостационарные системы первых поколений не позволяли сделать абонентский аппарат малогабаритным (наилучший результат – формат ноутбука). Это позволяют достигнуть системы на низкоорбитальных ИСЗ, но здесь возникает другая проблема. Технически такие системы сегодня вполне реализуемы, они обеспечивают устойчивую связь с помощью малогабаритных абонентских трубок. Но стоимость создания и эксплуатации системы, содержащей десятки спутников, весьма высока, что не позволяет установить низкие цены на обслуживание.
41
Впрочем, оценивая перспективы спутниковых систем мобильной связи, нельзя исключить и то, что они могут получить широкое распространение. Пример тому – система Thuraya, также использующая геостационарный ИСЗ. Она была введена в эксплуатацию только в конце 2000 года. Реализованные в ней последние научные достижения (особо мощные передатчики и антенная решетка диаметром более 12 м с цифровым управлением, обеспечивающая одновременное формирование до 300 остронаправленных лучей) позволили предоставлять услуги мобильной связи с помощью малогабаритных радиотелефонов, подобных обычным сотовым. Данная система, принадлежащая Thuraya Satellite Telecommunications Company из ОАЭ и разработанная компанией Boeing Satellite Systems, в настоящее время способна предоставлять связь в 99 странах Европы, Азии и Африки, включая и Россию. И у этого проекта есть последователи. По пятам за ним следует разработка японской компании Mitsubishi
Electric, предусматривающая вывод в космос 3-х спутников связи с антеннами диаметром уже 45 м. Планируется, что данная система, способная одновременно предоставлять 100 тыс. телефонных разговоров, сможет обслуживать до 5 млн. абонентов.
Таким образом, вполне возможно, что именно спутниковые системы смогут справиться с этой нелегкой задачей – обеспечить все население нашей планеты персональной связью.
Сотовая связь – один из видов радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.
Ключевая особенность: общая зона покрытия делится на соты, определяющиеся зонами покрытия базовых станций. Соты перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной поверхности зона покрытия одной базовой станции представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (Рисунок 22).
42
Рисунок 22 - Упрощенная схема сотовой связи
Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого. Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым,
сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу(AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA,
GSM, UMTS).
Если телефон выходит из поля действия одной базовой станции, он налаживает связь с другой. Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие. Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные. Операторы разных стран могут заключать договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент,
43 находясь за границей, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора
(по повышенным тарифам).
Несмотря на многообразие существующих стандартов сотовой связи и обилие особенностей их реализации, построение и алгоритмы работы таких систем во многом сходны.
Теоретически разделить территорию на одинаковые по форме зоны без перекрытия или пропусков можно путем использования трех правильных геометрических фигур: треугольника, квадрата и шестиугольника. В первом случае базовые станции должны располагаться на местности в шахматном порядке, а во втором – квадратно-гнездовым способом. Но наиболее экономное и эффективное покрытие достигается зонами в виде шестиугольников. А причина здесь простая: именно шестиугольник почти идеально описывает рабочую зону базовой станции, установленной в центре ячейки и имеющей антенну с круговой диаграммой направленности.
В тех местах, где требуется одновременное обслуживание большого числа абонентов, используется метод расщепления сот – создание зон меньшего размера. В этом случае исходный шестиугольник делится на семь шестиугольников меньшего размера
(пикосоты). При этом вся остальная структура сети не нарушается. Необходимо заметить, что геометрически правильная форма рабочих зон далеко не всегда достижима на практике. Дальность распространения радиоволн зависит от рельефа местности: холмов, оврагов, гор, больших зданий и т. п. Они искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции далеко не всегда в строгом геометрическом порядке.
Основные элементы сотовой системы: абонентское оборудование (мобильные радиотелефоны), сеть базовых станций,
размещенных на обслуживаемой территории, и центр коммутации.
Каждая базовая станция – это многоканальное приемно-передающее устройство, которое обслуживает абонентов в пределах своей соты. По специальным линиям связи
(проводным или радиорелейным) все базовые станции соединяются с центром коммутации.
Центр коммутации обеспечивает управление сетью и, по сути, является специализированной автоматической телефонной станцией. Он хранит в своей памяти данные всех абонентов сотовой сети, отвечает за проверку прав доступа абонентов и их аутентификацию (подтверждение подлинности), обрабатывает и хранит информацию.
Также в его обязанности входит: слежение за сигналами мобильных телефонов, их эстафетная передача при перемещении телефона из соты в соту, коммутация каналов в сотах при появлении помех или неисправностей, а главное – установление соединения
44 абонента сотовой сети в соответствии с набранным номером с другим абонентом или выход в городскую, междугородную и международную телефонную сеть. В некоторых вариантах построения систем все эти функции разделяются между центром коммутации и еще одним элементом оборудования – контроллерами базовых станций.
Упрощенно порядок работы элементов сотовой сети выглядит так. В каждой базовой станции есть специальный канал, называемый управляющим, и все сотовые телефоны прослушивают сигналы на этом канале в ожидании вызова. В том случае, если абонент желает позвонить, сразу после набора номера радиотелефон начинает автоматический поиск свободного канала. При его обнаружении он передает свои параметры и набранный номер через базовую станцию на коммутатор сотовой сети. После проверки параметров абонента центр коммутации осуществляет соединение. В обратном направлении — при вызове абонента сотовой сети – коммутатор проверяет в своей базе данных наличие такого номера и начинает поиск радиотелефона в каждой из сот.
Радиотелефон абонента, приняв этот вызов по управляющему каналу, передает подтверждение вызова, определяя, таким образом, свое местонахождение в сотовой сети.
После этого коммутатор находит свободный разговорный канал в данной соте и переключает соединение на него. Кроме организации соединений, коммутатор непрерывно следит за сигналами радиотелефонов и в процессе связи. Если возникает
неисправность в оборудовании или появляются помехи, коммутатор находит другой свободный канал и переводит разговор на него. Перемещения абонента в процессе соединения могут привести к предельному снижению уровня сигналов. Тогда коммутатор переключается на другую базовую станцию, более близкую к абоненту. Эстафетная передача производится полностью автоматически и настолько быстро, что связь не прерывается, а абонент ничего не замечает.
Скачать 1.22 Mb.