Курс лекций "Сетевым технологиям"

Беспроводная  среда передачи

Преимущества  беспроводных коммуникаций

Возможность передавать информацию без проводов, привязывающих (в буквальном смысле этого слова) абонентов к определенной точке пространства, всегда была очень привлекательной. И как только технические возможности становились достаточными для того, чтобы новый вид беспроводных услуг приобрел две необходимые составляющие успеха — удобство использования и низкую стоимость, — успех ему был гарантирован.

Последнее тому доказательство — мобильная телефония. Первый мобильный телефон был изобретен еще в 1910 году Ларсом Магнусом Эрикссоном (Lars Magnus Ericsson). Этот телефон предназначался для автомобиля и был беспроводным только во время движения. Однако в движении им нельзя было пользоваться, для разговора нужно было остановиться, выйти из автомобиля и с помощью длинных жердей присоединить телефон к придорожным телефонным проводам. Понятно, что определенные неудобства и ограниченная мобильность воспрепятствовали коммерческому успеху этого вида телефонии.

Прошло  много лет, прежде чем технологии радиодоступа достигли определенной степени зрелости и в конце 70-х обеспечили производство сравнительно компактных и недорогих радиотелефонов. С этого времени начался бум мобильной телефонии, который продолжается в настоящее время.

Беспроводная  связь не обязательно означает мобильность. Существует так называемая фиксированная беспроводная связь, когда взаимодействующие узлы постоянно располагаются в пределах небольшой территории-, например определенного здания. Фиксированная беспроводная связь применяется вместо проводной, когда по какой-то причине невозможно или невыгодно использовать кабельные линии связи. Причины могут быть разными. Например, малонаселенная или труднодоступная местность — болотистые районы и джунгли Бразилии, пустыни, крайний Север или Антарктида еще не скоро дождутся своих кабельных систем. Другой пример — здания, имеющие историческую ценность, стены которых непозволительно подвергать испытанию прокладкой кабеля. Еще один часто встречающийся случай использования фиксированной беспроводной связи — получение доступа к абонентам, дома которых уже подключены к точкам присутствия существующих уполномоченных операторов связи. Наконец, организация временной связи, например, при проведении конференции в здании, в котором отсутствует проводной канал, имеющий скорость, достаточную для качественного обслуживания многочисленных участников конференции.

Начиная с середины 90-х годов достигла необходимой зрелости и технология мобильных компьютерных сетей. С появлением стандарта IEEE 802.11 в 1997 году появилась возможность строить мобильные сети Ethernet, обеспечивающие взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся и оборудованием какого производителя они пользуются. Пока такие сети еще играют достаточно скромную роль по сравнению с мобильными телефонными сетями, но аналитики предсказывают их быстрый рост в ближайшие годы.

Беспроводная  линия связи

Беспроводная  линия связи строится в соответствии с достаточно простой схемой (рис. 1).

 Каждый  узел оснащается антенной, которая  одновременно является передатчиком и приемником электромагнитных волн. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере или вакууме со скоростью 3 х 10⁸ м/с во всех направлениях или же в пределах определенного сектора.

Направленность  или ненаправленность распространения  зависит от типа антенны. На рис. 1 показана параболическая антенна, которая является направленной. Другой тип антенн — изотропные антенны, представляющие собой вертикальный проводник длиной в четверть волны излучения, являются ненаправленными. Они широко используются в автомобилях и портативных устройствах. Распространение излучения во всех направлениях можно также обеспечить несколькими направленными антеннами.

Так как  при ненаправленном распространении электромагнитные волны заполняют все пространство (в пределах определенного радиуса, определяемого затуханием мощности сигнала), то это пространство может служить разделяемой средой. Разделение среды передачи порождает те же проблемы, что и в локальных сетях,

Рис.1. Беспроводная линия связи.

однако  здесь они усугубляются тем, что  пространство в отличие от кабеля является общедоступным, а не принадлежит одной организации.

Кроме того, проводная среда строго определяет направление распространения сигнала в пространстве, а беспроводная среда является ненаправленной.

Диапазоны электромагнитного  спектра

Характеристики  беспроводной линии связи — расстояние между узлами, территория охвата, скорость передачи информации и т. п. — во многом зависят от частоты используемого электромагнитного спектра

На рис. 2 показаны диапазоны электромагнитного  спектра. Можно сказать, что они и соответствующие им беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы.

• Диапазон до 300 ГГц имеет общее стандартное название — радиодиапазон. Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов (они показаны на рисунке), начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF). Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определенное в стандартах, однако часто используемое название широковещательное радио. Сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FM-диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобит в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19200 Кбит/с.

• Несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц имеют  также нестандартное название микроволновых  диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL).
• Выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микроволновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то системы инфракрасных волн используются для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.
• В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.

ПРИМЕЧАНИЕ 

Справедливости ради нужно отметить, что свет был, очевидно, первой беспроводной средой передачи информации, так как он использовался в древних цивилизациях (например, в Древней Греции) для эстафетной передачи сигналов между цепочкой наблюдателей, располагавшихся на вершинах холмов.

Распространение электромагнитных волн

Перечислим  общие закономерности распространения  электромагнитных волн, связанные с  частотой излучения.

• Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации.
• Чем выше несущая частота, тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные радиоволны легко проникают в дома (можно обходиться комнатной антенной). Более высокочастотный сигнал требует внешней антенны (ТВ). Инфракрасный сигнал и видимый свет не проходят сквозь стены.
• Чем выше несущая частота, тем быстре6е убывает энергия сигнала с расстоянием от источника.
• Низкие частоты ( до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли (сигналы АМ - радио).
• Сигналы в диапазоне выше 30МГц распространяются только по прямой (сигналы прямой видимости). При частоте 4 ГГц сигналы начинают поглощаться водой, дождь и туман могут ухудшить качество передачи микроволновых систем.

Лицензирование

Проблема  совместного использования электромагнитного  спектра является острой и требует  централизованного управления. В каждой стране есть государственный орган, который выдает лицензии операторам связи на использование определенной части спектра. Лицензия выдается на определенную территорию, в пределах которой оператор монопольно использует закрепленный за ним диапазон.

  Существует три частотных диапазона: 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц , которые рекомендованы ITU как диапазоны для международного использования без  лицензирования. Эти диапазоны предназначены для использования промышленными товарами беспроводной связи общего назначения (устройствами блокирования дверей автомобилей), научными и медицинскими приборами. Диапазон 900 МГц является наиболее "населенным", т.к. низкочастотная техника стоит дешевле. Сейчас активно осваивается диапазон 2,4 ГГц в технологиях IEEE 802.11, Bluetooth. Диапазон 5 ГГц только начал осваиваться. Обязательное условие использования  этих диапазонов является ограничение мощности сигнала уровнем 1 ватт. Существуют также специальные методы кодирования, которые уменьшают взаимное влияние устройств, работающих в этих диапазонах.

Беспроводные  системы

Двухточечная  связь

Типичная  схема проводного двухточечного  канала является популярной и для  беспроводной связи. По двухточечной схеме могут работать беспроводные каналы различного назначения, использующие различные диапазоны частот. В телекоммуникационных первичных сетях такая схема уже долгое время используется для создания так называемых радиорелейных линий связи. Такую линию образуют несколько башен, на которых установлены параболические направленные антенны (рис.3). Каждая такая линия работает в микроволновом диапазоне на частотах в несколько гигагерц. Направленная антенна концентрирует энергию в узком пучке, что позволяет передавать информацию на значительные расстояния, обычно до 50 км. Высокие башни обеспечивают прямую видимость антенн.

Пропускная  способность линии может быть достаточно высокой, обычно она находится в пределах от нескольких до сотен мегабит в секунду. Такие линии могут быть как магистральными, так и линиями доступа (в последнем случае они имеют чаще всего один канал). Операторы связи часто используют такие линии, когда прокладка оптического волокна либо невозможна (из-за природных условий), либо экономически невыгодна.

Радиорелейная линия связи может использоваться в городе для соединения двух зданий. Так как высокая скорость в таком случае не всегда нужна (например, нужно соединить небольшой сегмент локальной сети с основной локальной сетью предприятия), то здесь могут применяться радиомодемы, работающие в АМ-диапазоне. Для связи двух зданий может также использоваться лазер, обеспечивая высокую информационную скорость (до 155 Мбит/с), но только при соответствующем состоянии атмосферы.

Другой  пример беспроводной двухточечной линии  связи показан на рис. 4. Здесь  она используется для соединения двух компьютеров. Такая линия образует простейший сегмент локальной сети, поэтому расстояния и мощности сигнала здесь принципиально иные.

Для расстояний в пределах одного помещения могут  использоваться как диапазон инфракрасных волн (рис. 4, а), так и микроволновый диапазон (рис. 4, б). Большинство современных ноутбуков оснащено встроенным инфракрасным портом, поэтому такое соединение может быть образовано автоматически, как только порты двух компьютеров окажутся в пределах прямой видимости (или видимости отраженного луча).

Микроволновый вариант работает в пределах нескольких десятков или сотен метров — предельное расстояние предсказать невозможно, так как при распространении микроволнового сигнала в помещении происходят многочисленные отражения, дифракции и рассеивания, к которым добавляются эффекты проникновения волн через стены и межэтажные перекрытия.

Связь одного источника  и нескольких приемников

Схема беспроводного канала с одним  источником и несколькими приемниками  характерна для такой организации  доступа, при которой многочисленные пользовательские терминалы соединяются с базовой станцией (Base Station, BS).

Беспроводные  линии связи для схемы одного источника и нескольких приемников используются как для фиксированного доступа, так и для мобильного.

На рис. 5 показан вариант фиксированного доступа с помощью микроволновых  линий связи. Оператор связи использует высокую башню (возможно, телевизионную), чтобы обеспечить прямую видимость с антеннами, установленными на крышах зданий своих клиентов. Фактически такой вариант может представлять собой набор двухточечных линий связи — по количеству зданий, которые необходимо соединить с базовой станцией. Однако это достаточно расточительный вариант, так как для каждого нового клиента нужно устанавливать новую антенну на башне. Поэтому для экономии обычно применяют антенны, захватывающие определенный сектор, например в 45°. Тогда за счет нескольких антенн оператор может обеспечить связь в пределах полного сектора в 360°, конечно, на ограниченном расстоянии (обычно в несколько километров).