5. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ

5.1. Современные беспроводные технологии

В настоящее время бурное развитие получили беспроводные технологии, которые нашли свое применение в промышленности, сфере бизнеса, а также в быту и средствах связи.

Различных стандартов беспроводных технологий и сетей, построенных на их основе, существует великое множество, однако все они могут быть объединены в три большие группы (рис. 5.1):


Рис. 5.1. Основные стандарты беспроводных технологий и сетей.

Общим для всех этих сетей является то, что устройства можно объединить в сеть без кабельных соединений, а передачу данных осуществлять через радиоэфир. Но самым важным при любой радиосвязи является организация передачи в обоих направлениях.

При построении беспроводных сетей, как правило, используют дуплексную связь, в которой, наряду с полным дуплексом, выделяют еще два типа связи (рис. 5.2):


Рис. 5.2. Методы организации дуплексной связи.

Метод FDD определяет такой режим работы линии связи, при котором частоты передачи и приема находятся в разных полосах частот, разделенных защитным промежутком.

При использовании TDD обмен информацией идет по одной линии связи, но с уплотнением каналов приема и передачи в разных временных интервалах одного кадра.

5.2. Основные стандарты и технологии

Разные классы беспроводных сетей используют разный набор технологий, стандартов и протоколов. Так, например, термины WiMAX и Wi-Fi созвучны между собой (рис. 5.3).


Рис. 5.3. Соотношение WiMAX и Wi-Fi технологий.

В их основе стандарты, разработанные консорциумом IEEE, название которых начинаются с символов «802.». Обе эти технологии используют беспроводное соединение, как для связи между узлами, так и для подключения к Интернету. Но, несмотря на это, они направлены на решение совершенно различных задач.

Если проводить сравнение этих двух технологий, то надо отметить, что они имеют совершенно разный механизм «качества обслуживания» (Quality of Service, QoS), то есть способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках.

Проводя сравнение сетей класса WMAN и WLAN, следует отметить, что технология WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, и с гораздо большим покрытием, чем технология Wi-Fi.

Это позволяет использовать WiMAX в качестве магистральных каналов, продолжением которых выступают традиционные выделенные линии, а также локальные сети, в том числе WLAN на базе технологии Wi-Fi.

5.2. Основные особенности WPAN сетей

Беспроводные персональные сети применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и другими устройствами. Их отличие в том, что:


Рис. 5.4. Место WPAN сетей в структуре беспроводных технологий.

Одним из наиболее актуальных направлений использования беспроводных технологий, особенно в эпоху Интернета вещей, являются беспроводные сенсорные сети (БСС) – распределенные самоорганизующиеся сети, устойчивые к отказу отдельных ее элементов.

Обычно БСС применяются для сбора данных с устройств, оснащенных различным набором сенсоров. Такими сенсорами могут быть, например, датчики температуры, влажности, освещения и т.д.

Область покрытия БСС составляет от нескольких метров до нескольких километров, в зависимости от типа модуля и антенны, а также за счет ретрансляции сообщений от одного узла сети к другому. Каждый узел БСС имеет (рис. 5.5):


Рис. 5.5. Упрощенная структура узла БСС.

Обмен данными между двумя конечными узлами может осуществляться либо непосредственно, либо через ретранслятор, в том случае, если дальность работы устройств не позволяет их взаимное обнаружение. Таким образом, устройства с малым радиусом действия и очень низким потреблением энергии с помощью системы ретрансляторов могут общаться друг с другом (рис. 5.6).


Рис. 5.6. Ретрансляция и маршрутизация сообщений в БСС.

На данный момент наиболее распространены БСС, построенные на основе стандартов группы WPAN, которые предназначены для организации беспроводной связи между различными устройствами на ограниченной площади (спецификация IEEE 802.15), но при построении БСС используют и другие стандарты. К числу основных стандартов, используемых для построения маломощных беспроводных сетей, обычно относят: Bluetooth, IEEE 802.15.4, ZigBee и Wibree.

Но прежде, чем переходить к стандартам, используемым непосредственно в БСС, следует отметить еще один стандарт, который находит широкое применение при проектировании и построении беспроводных персональных сетей: это стандарт IEEE 802.15.3.

Стандарт IEEE 802.15.3 разрабатывался как высокоскоростной стандарт WPAN-сетей для высокотехнологичных бытовых устройств, предназначенных, как правило, для передачи мультимедийных данных.

Однако данный стандарт, предусматривая большие скорости передачи данных, требует высокого энергопотребления от устройств, что не очень подходит для построения БСС.

Стандарт Bluetooth (802.15.1) на сегодняшний день хорошо развит и применяется для связи мобильных телефонов, КПК и периферии.

Что касается стандарта Bluetooth, то он по своим основным параметрам мог бы использоваться при построении БСС, однако на текущий момент пока нет устройств, работающих по данному стандарту с низким энергопотреблением, они только предполагаются к выпуску. Поэтому при построении БСС сейчас более привлекательны другие стандарты.

Стандарт Wibree разработан фирмой Nokia в 2001 году. Wibree предназначен для работы бок о бок с Bluetooth.

Стандарт IEEE 802.15.4 является одним из самых новых в серии беспроводных и принят в октябре 2003 года. На его основе ZigBee Alliance разработал спецификацию протоколов сетевого и прикладного уровня.

Как следует из табл.1.1, на текущий момент наиболее подходящим для построения БСС является стандарт 802.15.4, так как является открытым и предназначен для низкоскоростных сетей с низким энергопотреблением.

5.3. Самоорганизующиеся беспроводные сети

При построении беспроводных, а особенно сенсорных и медицинских сетей важно учитывать тот факт, что парализовать инфраструктуру связи могут не только техногенные катаклизмы, но даже банальное отключение электропитания или изменение профиля ландшафта. В подобных случаях все более привлекательным вариантом становится использование самоорганизующихся сетей.

Основным инструментом анализа беспроводных самоорганизующихся сетей является имитационное компьютерное моделирование без применения реального оборудования или с применением отдельных его блоков.


Рис. 5.7. Пример структуры и основных компонентов MESH сетей.

Беспроводные самоорганизующиеся Ad Hoc сети наиболее часто име-ют ячеистую топологию, поэтому их еще называют mesh-сетями. К числу их основных преимуществ обычно относят:

На текущий момент БСС это не единственный тип сетей, которые построены на стандартах класса WPAN. Если сенсорные сети имеют прикладное и промышленное применение, то наряду с ними развиваются и другие типы сетей этого класса. Существенным развитием беспроводных технологий является их использование домашними пользователями.

С ростом числа устройств в домашней сети или в офисе все более актуальной становится проблема множества проводов, соединяющих эти устройства между собой, что является поводом для перехода на беспроводные технологии. Повышение комфортности современного дома, объединение в единое целое всех компьютеров, телевизоров, цифровых фотокамер и мультимедийных центров может быть реализовано с помощью беспроводных соединений.

В этом уже сегодня может помочь технология Wi-Fi. Для возможности практического использования этой технологии в быту или на работе, надо прежде всего иметь некоторые общие сведения об основных принципах ее работы. Кроме этого необходимо получить навыки, как по настройке беспроводных подключений к внешним Wi-Fi сетям, так и по организации соединений типа компьютер-компьютер (Ad Hoc) или настройке мобильных хот-спот (Mobile hotspot) сетей. Тем более, что для этого в ряде случаев вполне достаточно программных средств, имеющихся в стандартных поставках различных версий ОС Windows.



ПРИЛОЖЕНИЕ

п5.1. Типы и компоненты беспроводных сетей

Трудность установки кабеля – это фактор, который дает беспроводным сетям неоспоримое преимущество. В зависимости от технологии беспроводные сети подразделяют на:

Промежуточным этапом перехода от кабельных сетей к беспроводным является способ передачи “точка-точка”. Эта технология предусматривает обмен данными только между компьютерами, в отличие от взаимодействия между несколькими компьютерами и периферийными устройствами. Чтобы организовать сеть с беспроводной передачей, необходимо в ее состав включить дополнительные компоненты, такие как:

Их можно устанавливать как на автономно работающих компьютерах, так и на компьютерах, подключенных к сети.

Трансивер – это устройство для подключения компьютера к сети, т. е. устройство, осуществляющее прием и передачу сигналов. Термин образован от двух английских слов передатчик-приемник (TRANSmitter-reCEIVER).

Если в кабельных сетях трансивер в большинстве случаях встроен в сетевой адаптер, то в беспроводных сетях он обычно выполнен в виде отдельного устройства.

Основное отличие между различными типами беспроводных сетей – параметры передачи. Локальные сети и их расширения используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть. Для мобильных сетей на базе переносных компьютеров в качестве среды передачи выступают либо телефонные компании, либо держатели соответствующих каналов связи (AT&T, Sprint и т. д.).

п5.2. Передача “точка-точка”

Подобные системы позволяют передавать сигналы между двумя компьютерами или компьютером и другими устройствами, например, принтерами или сканерами штрих-кода (рис. 5.1).

Трансивер, называемый иногда точкой доступа (access point) обеспечивает обмен данными между компьютерами с беспроводным подключением и остальной сетью.

В беспроводных сетях используются небольшие настенные трансиверы. Они устанавливают радиоконтакт между переносными устройствами. Однако такую сеть назвать полностью беспроводной нельзя именно из-за использования этих трансиверов.


Рис. 5.1. Передача "точка-точка".

Технология передачи "точка-точка" основана на последовательной передаче данных и обеспечивает:

п5.3. Локальные вычислительные сети (беспроводные ЛВС)

Типичная беспроводная сеть выглядит и функционирует практически так же, как и обычная, за исключением среды передачи. Беспроводной сетевой адаптер установлен в каждом компьютере, и пользователи работают так, будто их компьютеры соединены обычным кабелем.


Рис. 5.2. Беспроводная ЛВС.

Беспроводные локальные сети используют 4 способа передачи данных: инфракрасное излучение, лазерное излучение, радиопередачу в узком спектре (одночастотная передача) и радиопередачу в рассеянном спектре.

п5.3.1. Инфракрасные и лазерные беспроводные ЛВС

Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень сильный сигнал, так как на него оказывают влияние другие источники, например, окна.

Этот способ обеспечивает большую скорость передачи, т. к. инфракрасный свет имеет широкий диапазон частот. Инфракрасные сети нормально функционируют на скорости 10 Мбит/с. Различают 4 типа инфракрасных сетей:

  1. Сети прямой видимости (между приемником и передатчиком).
  2. Сети на рассеянном излучении. Сигнал отражается от стен и потолка и, в конце концов, достигает приемника. Дальность до 30 м. Скорость передачи невелика, так как все сигналы отраженные.
  3. Сети на отраженном излучении. Оптические трансиверы компьютеров передают сигналы в определенное место, откуда они переадресуются другому компьютеру.
  4. Широкополосные оптические сети предоставляют услуги, которые соответствуют жестким требованиям мультимедийной среды и практически не уступают кабельным системам.

Среди основных достоинств инфракрасных сетей можно отметить:

К недостаткам использования этого класса сетей можно отнести:


Рис. 5.3. Беспроводная ЛВС с использованием лазерного излучения.

Лазерная технология (рис. 5.3) похожа на инфракрасную тем, что требует прямой видимости между приемником и передатчиком. Если по каким-либо причинам луч будет прерван, прервется и передача.

п5.3.2. Беспроводные ЛВС с радиопередачей данных

При одночастотной радиопередаче пользователи настраивают передатчики и приемники на определенную частоту. Этот способ похож на вещание обычной радиостанции. Прямая видимость необязательна; площадь вещания около 4,5 км2. Сигнал высокой частоты, используемый при этом методе, не проникает через металлические или железобетонные преграды. Доступ к такому способу связи достигается через поставщика услуг, например, Motorola.

При радиопередаче в рассеянном спектре сигналы передаются в некоторой полосе частот. Доступные частоты разделены на каналы (или интервалы).

Адаптеры в течение определенного промежутка времени настроены на один интервал, после чего переключаются на другой интервал. Переключение всех компьютеров в сети происходит синхронно.

Сети, построенные по данной технологии, работают со скоростью до 54 Мбит/с на расстояние до 3,2 км на открытом пространстве и до 120 м – внутри здания. Это тот случай, когда технология позволяет получить по-настоящему беспроводную сеть.


Рис. 5.4. Беспроводные ЛВС с радиопередачей данных.

Если компьютеры оснастить беспроводными сетевыми адаптерами, то они могут без кабеля функционировать как одноранговые сети. Если уже есть работающая сеть на основе сервера, то к ней можно подключить сегмент беспроводной сети, если к одному из компьютеров добавить устройство Access Point (рис. 5.4). Оно будет выполнять роль хост-трансивера.

п5.3.3. Мобильные сети

В беспроводных мобильных сетях в качестве среды передачи выступают телефонные системы и общественные службы. Различают 3 основных способа организации таких сетей (рис. 5.5).


Рис. 5.5. Способы организации мобильных сетей.

Работники, которые постоянно находятся в разъездах, могут воспользоваться мобильными сетями. Имея при себе переносной компьютер, они могут обмениваться электронной почтой, файлами, и другой информацией, как с центральным офисом, так и между собой.

При пакетном радио соединении данные разбиваются на пакеты (подобные сетевым пакетам), в которых содержится информация:

Пакеты передаются на спутник, который их транслирует в широковещательном режиме. Затем устройства с соответствующим адресом принимают эти пакеты.

Сотовые цифровые пакеты данных используют ту же технологию, что и сотовые телефоны. Они передают данные по существующим для передачи речи сетям в те моменты, когда эти сети не заняты. Это очень быстрая технология связи с задержкой в доли секунды, что делает ее вполне приемлемой для передачи в реальном масштабе времени.

Микроволновая система (рис. 5.6) включает в себя: два радиотрансивера - один для генерации сигналов, другой для приема и две направленные антенны. Они нацелены друг на друга, чтобы осуществлять прием сигналов, передаваемых трансиверами, и работают в зоне прямой видимости либо между собой (1), либо через спутник (2).


Рис. 5.6. Микроволновая система.

На сегодня микроволновая технология наиболее распространенный способ передачи данных на большие расстояния. Она позволяет организовать взаимодействия между зданиями в небольших компактных системах, например, университетских городках.