Характеристика беспроводных систем

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.

Беспроводная связь уже  достаточно давно используется для  передачи данных. До недавнего времени  большая часть применений беспроводной связи в компьютерных сетях была связана с ее фиксированным вариантом. Не всегда архитекторы и пользователи компьютерной сети знают о том, что  на каком-то участке пути данные передаются не по проводам, а распространяются в виде электромагнитных колебаний  через атмосферу или космическое  пространство. Это может происходить  в том случае, когда компьютерная сеть арендует линию связи у оператора  первичной сети, и отдельный канал  такой линии является спутниковым  или наземным СВЧ-каналом.

Начиная с середины 90-х  годов достигла необходимой зрелости и технология мобильных компьютерных сетей. С появлением стандарта IEEE802.11 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.

Беспроводные сети часто  связывают с радиосигналами, однако это не всегда верно. Беспроводная связь использует широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц до видимого света, частота которого составляет примерно 8 х 1014 Гц.

1.3 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 (частота f и длина волныX связаны соотношением с = f х X).

Диапазоны электромагнитного  спектра приведены на рисунке  В.2 в приложении В. 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 чаете) 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 связь в  микроволновом диапазоне. Связь  в микроволновом диапазоне использует высокие частоты и применяется  как на коротких расстояниях, так  и в глобальных масштабах. 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.

1.4 Распространение  электромагнитных волн

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

1. Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации. 
2. Чем выше частота, тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные радиоволны АМ-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходиться комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не проходят через стены, ограничивая передачу прямой видимостью (Line Of Sight, LOS). 
3. Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстоянием от источника. При распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала. 
4. Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли. Именно поэтому сигналы АМ-радио могут передаваться на расстоянии в сотни километров. 
5. Сигналы частот от 2-30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут распространяться даже на более значительные расстояния, в несколько тысяч километров (при достаточной мощности передатчика). 
6. Сигналы в диапазоне свыше 30 МГц распространяются только по прямой, то есть являются сигналами прямой видимости. При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает опасность – они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман может стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых систем. Недаром испытания лазерных систем передачи данных частот проводят в Сиэтле, городе, который известен своими туманами.

Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, поэтому все современные системы  беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная  с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые  сулят низкочастотные диапазоны  благодаря распространению сигнала  вдоль поверхности земли или  отражения от ионосферы.

Для успешного использования  микроволнового диапазона необходимо также учитывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распространяющихся в режиме прямой видимости и встречающих  на своем пути препятствия.

На рисунке 2 показано, что  сигнал, встретившись с препятствием, может распространяться в соответствии с тремя механизмами: отражением, дифракцией и рассеиванием.

Когда сигнал встречается  с препятствием, которое частично прозрачно для данной длины волны  и в то же время размеры которого намного превышают длину волны, то часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны микроволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому они частично отражаются от стен домов при передаче сигналов в городе. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пластину) также намного большего размера, чем длина волны, то происходит дифракция — сигнал как бы огибает препятствие, так что такой сигнал можно получить, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встрече с препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал рассеивается, распространяясь под различными углами.

Рисунок 2. Распространение  электромагнитной волны

В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются  при беспроводной связи в городе, приемник может получить несколько  копий одного и того же сигнала. Такой  эффект называется многолучевым распространением сигнала. Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку один из сигналов может прийти с обратной фазой и подавить основной сигнал.

Так как время распространения  сигнала вдоль различных путей  будет в общем случае различным, то может также наблюдаться и  межсимвольная интерференция, ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника одновременно.

Искажения из-за многолучевого  распространения приводят к ослаблению сигнала, этот эффект называется многолучевым замиранием. В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!

Все эти искажения сигнала  складываются с внешними электромагнитными  помехами, которых в городе довольно много. Достаточно сказать, что в  диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые  печи.

Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют специальные методы кодирования,распределяющие энергию сигнала в широком диапазоне частот. Кроме того,передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких башнях,чтобы избежать многократных отражений. Еще одним способом является применение протоколов с установлением соединений и повторными передачами кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволяют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов,чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP.

2 Характеристика беспроводных систем

2.1 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. Радиорелейная линия связи изображена на рисунке 3. Такую линию образуют несколько башен,на которых установлены параболические направленные антенны.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.

Рисунок 3. Радиорелейная  линия связи

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 рисунке 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 (рисунок 4, а), так и микроволновый диапазон (рисунок 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.