Характеристика беспроводных компьютерных сетей

В схемах уплотнения с частотным разделением (Frequency Division Mul­tiplexing, FDM) каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной тер­ритории. Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи.

Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения — функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на опреде­ленной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

1.1.2 Уплотнение с временным разделением

В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же ча­стоте / в области s, но в различные промежутки времени U (как правило, цик­лически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса пе­редачи.

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут ди­намично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с мень­шим обьемом трафика.

Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто анало­говых сетях — даже если исходные данные аналоговые (например, речь), он тре­бует их оцифровки и разбиения на пакеты. Скорость передачи отдельного пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи исходных оцифрован­ных данных. Характерный пример применения временного уплотнения (в про­водных сетях) — это метод магистральной передачи телефонного трафика по­средством каналов Е1. На узловой АТС каждый аналоговый телефонный канал преобразуется в поток данных со скоростью 64 кбит/с (8 разрядов оцифровки х8кГц частоты выборок). Фрагменты по 8 бит из 32 каналов (30 телефонных и 2 служебных) образуют цикл. Длительность каждого цикла — 125 мкс, соот­ветственно, скорость передачи данных — (32 х 8бит)/125мкс = 2048кбит/с (т.е. 2048000бит/с). Данный поток транслируется по магистральным каналам и вос­станавливается (демультиплексируется) на приемном конце.

Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная по­теря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения

1.2 Технология и архитектура беспроводных сетей

Персональные беспроводные сети передачи данных стали появляться сравнитель­но недавно — в середине 90-х годов. Однако лишь к концу 90-х годов разви­тие микроэлектроники позволило производить для таких устройств интеграль­ную элементную базу. Открывшиеся перспективы привели к тому, что практиче­ски одновременно появилось сразу несколько разработок персональных БСПИ, основные из которых — это спецификации HomeRF, стандарты семейства IEEE 802.15 (Bluetooth и IEEE 802.15.3/4), а также технологии сверхширокополосной связи UBW.

1.2.1 Стандарты Bluetooth

Идеология Bluetooth иная — это универсальный радиоинтерфейс, связыва­ющий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппа­ратной поддержки. Однако устройства Bluetooth сегодня реально используют в основном для замены провода радиоинтерфейсом (например, в качестве бес­проводной гарнитуры для сотовых телефонов), несмотря на широчайший спектр заложенных в нем возможностей. Рынок такого рода приложений пока во мно­го раз превосходит рынок действительно сетевых устройств. Возможно, имен­но поэтому прекрасно проработанный для применения именно для сетевых за­дач стандарт HomeRF пока не нашел массового применения. С одной стороны его вытесняют простейшие Bluetooth-устройства, с другой — системы стандарта IEEE 802.11, которые за последние пять лет существеннно подешевели, лишив тем самым HomeRF основного перед ними преимущества — низкой стоимости. Поэтому более детально рассмотрим именно стандарт Bluetooth

Своим появлением спецификация Bluetooth обязана компаниям Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, которые в феврале 1998 года для разработки стандар­та персональной БСПИ организовали специальную рабочую группу SIG (Special Interest Group). Название новой технологии связано с именем короля Хароль- да I Блаатанда (в поздней транскрипции — Bluetooth, Синезуб), объединившего Данию с Южной Швецией и Южной Норвегией в единое Датское Королевство.

Уже в 2000 году в Bluetooth SIG входили 1883 фирмы (на порядок больше, чем в группе HomeRF). Новую технологию поддержали производители элементной ба­зы, программного обеспечения, портативных компьютеров, сотовых телефонов, звуковоспроизводящей аппаратуры и др. Видимо, имя короля-объединителя при­несло свои плоды. Сегодня стандарт Bluetooth признан всем мировым сообще­ством. Между Bluetooth SIG и IEEE было достигнуто соглашение, в соответствии с которым спецификация Bluetooth вошла в стандарт IEEE 802.15.1 (опублико­ван 14 июня 2002 года) «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs)» (Специфика­ции контроля доступа к беспроводному каналу и физического уровня беспровод­ных персональных сетей).

Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400 2483,5 МГц (в США и ряде других стран — безлицензионный диапазон). В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скач­ков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying). Одно из необходимых условий успеха такой технологии, как Bluetooth, — недорогая программно-аппаратная реализация. В структуру устройств Bluetooth (рис. 2.8) входят радиомодуль-трансивер, контроллер связи (baseband-процессор) и управ­ляющее связью устройство, собственно реализующее протоколы Bluetooth верх­них уровней, а также интерфейс с терминальным устройством. Причем если трансивер и контроллер связи (в первых чипсетах для Bluetooth) — это специали­зированные микросхемы (интегральные или гибридные), то устройство управле­ния связью реализуют на стандартных микроконтроллерах, сигнальных процес­сорах либо его функции поддерживают центральные процессоры мощных терми­нальных устройств (например, ноутбуков). Кроме того, в устройствах Bluetooth применяют интегральные схемы (ИС), используемые в других приложениях, по­скольку диапазон 2 МГц освоен достаточно хорошо, а заложенные в Bluetooth технические решения сами по себе особой новизны не содержат (схема модуля­ции — широко распространена, технология расширения спектра методом частот­ных скачков хорошо отработана. Поэтому неудивительно, что первые чипсеты для Bluetooth включали ИС, хорошо знакомые по другим приложениям. Так, одной из первых свое реше­ние для Bluetooth представила фирма Philips Semiconductors, предложив ком­плект ИС, включающий четыре микросхемы: синтезатор UMA1022, усилитель мощности SA2410, схему модуляции SA639 и трансивер SA2420. Две из них — UMA1022 и SA639 — используются в DECT-устройствах, да и остальные до­статочно универсальны. Однако вскоре Philips предложила специализированный чипсет, поддерживающий спецификацию Bluetooth 1.0. Он включает однокри­стальный трансивер UAA3558, основанный на оригинальной технологии «низ­кой промежуточной частоты» (изначально создавался для DECT), и baseband- процессор серии VWS2600x.

1.2.2 Локальные сети под управлением IEEE 802.11

Рынок массовых устройств БСПИ очень молод. Первые устройства для беспро­водных локальных сетей появились в начале-середине 90-х годов. Но уже в 1999-м объем продаж устройств для беспроводных сетей достиг 600-770 млн долл., а к 2004 году он составил порядка 2,2-3 млрд долл. Ежемесячно в мире продается около миллиона адаптеров только стандарта IEEE 802.11b, по экспертным оцен­кам, к 2003 году их было установлено свыше 20 миллионов. Причем стремительно развиваются сами технологии передачи и оборудование для них — скорости вы­росли от 1-2 до 54 Мбит/с. С не меньшей стремительностью падает и стоимость оборудования.

Работы в этой области начались в 1989 году, когда была организована рабочая группа 11-го комитета IEEE 802. В июле 1997 года в результате работы этой груп­пы был опубликован стандарт IEEE 802.11 «Спецификация физического уров­ня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных се­тей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). Он определял архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов пе­редачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапа­зону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастот­ных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно- позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц — режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой последовательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2Мбит/с.

Отметим, что устройства, соответствующие исходной спецификации IEEE 802.11, не успели получить развития. Пропускная способность проводных сетей Ethernet сильно возросла, и максимальная скорость передачи 2 Мбит/с, преду­смотренная в IEEE 802.11, не удовлетворяла пользователей. Проблему решило появление стандартов (дополнений) IEEE 802.11b, 802.11а и 802.11g.

Первым стал утвержденный 16 сентября 1999 года стандарт IEEE 802.11b. Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапа­зоне 2,4 ГГц. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS. Самое же главное — он предусматривал скорости обмена до 11 Мбит/с (а опционально — и до 33 Мбит/с). Передача данных на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с происходит посредством модуляции комплементарных кодовых последовательностей ССК (основной вид модуляции). Кроме того, предусматри­валась и работа на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного бинарного сверточного кодирования (РВСС).

Стандарт IEEE 802.11а, описывающий работу в диапазоне 5 Ггц, был при­нят одновременно с IEEE 802.11b. В нем использован принципиально иной, чем в IEEE 802.11b, механизм модуляции/мультиплексирования, а именно частотное мультиплексирование посредством ортогональных несущих (OFDM). Данный ме­тод, в частности, достаточно хорошо зарекомендовал себя в системах цифрового телевизионного вещания DVB.

В IEEE 802.11а каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несу­щих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одно­го канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64- позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM — 2/3 и 3/4) обра­зуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Напомним, скорость кодирования — это отношение числа бит в пакете до и после кодера. Скажем, скорость кодирования г — 1/2 означает, что каждый входной бит после кодирования превращается в два бита.

2 Характеристика беспроводных компьютерных сетей

2.1 Точки доступа

Принимая решение обзавестись беспроводной сетью, вы можете пойти двумя путями: распаковать коробки, подключить радиоаппаратуру к компьютерам и попытаться заставить все это работать либо, предва­рительно все обдумав, заранее найти наилучшее расположение для каждого сете­вого компонента. Эта глава предназначена для тех добросовестных и педантич­ных пользователей, которые сначала занимаются планированием, а потом - установкой. Она также предназначена для тех, кто уже безуспешно пытался запу­стить сеть и теперь хочет научиться правильно выполнять работу.

Точка доступа в беспроводной сети представляет собой центральный передат­чик и приемник, которые обмениваются данными с индивидуальными компью­терами и другими сетевыми клиентами. В инфраструктурном режиме каждая сеть 802.1 lb должна иметь по крайней мере одну точку доступа. Дополнительные точки доступа могут увеличить масштаб площади, обслуживаемой сетью, и под­держивать большее количество сетевых клиентов, поэтому количество и распо­ложение точек доступа в вашей сети определяет ее зону покрытия и емкость.

2.2 Качество сигнала

Большинство беспроводных утилит показывают уровень и качество сигнала на гистограммах или в виде процентного значения, но они не сообщают, от какой величины 100-процентный сигнал составляет свои проценты. Важно понимать, что уровень сигнала и его качество - две разные вещи. Беспроводному адаптеру не обязательно принимать сигнал с «полным уровнем» для передачи данных на максимально возможной скорости. Пока приемник распознает чистый сигнал, сеть должна работать. Но даже сильный сигнал может пострадать, если прием­ник также ловит помехи от других беспроводных сетей или устройств, исполь­зующих те же радиочастоты, например беспроводных телефонов или микро­волновых печей.

Даже если скорость передачи данных меньше максимально возможного зна­чения, уровень сигнала может не оказывать какого-либо влияния. Например, при использовании Wi-Fi-сети для подключения компьютера к Интернету через DSL-линию (при скорости примерно 5 Мбит/с или менее), это не окажет како­го-либо влияния, падение скорости вашей локальной сети с 11 до 2 Мбит/с не окажет серьезного влияния.

Радиосигнал с расширенным спектром, используемый в Wi-Fi-сети, непохож на FM-радиосигнал, но проблемы с помехами и качеством у них одинаковы. Если вы проживаете в большом городе или близ него, то, скорее всего, принимаете десяток или более FM-радиостанций. Некоторые из них могут иметь передат­чики, близко расположенные к вашему дому, а другие - вещать из другого конца города. Но пока приемник ловит станцию с минимальным уровнем полезного сигнала, радио воспроизводит музыку достаточно хорошо. Сигнал от небольшой радиостанции в миле от вас звучит так же хорошо, как и крупная коммерческая станция с гораздо более мощным передатчиком высоко в горах (эта дискуссия - чисто техническая). С другой стороны, если вы находитесь в зоне неуверенно­го приема станции или другая близлежащая точка использует ту же частоту, звук от станции, которую вы хотите услышать, будет шумным и неразборчивым. Также общее качество связи по беспроводной сети определяется и уровнем сиг­нала, и наличием или отсутствием постороннего шума.