Беспроводная передача данных в настоящее время перживает своеобразный бум. Если с речевым обменом все в достаточной степени понятно, он нужен всем, везде и всегда, то в области беспроводной передачи данных ситуация не столь однозначна. Крупнейшие разработчики технологий и производители элементной базы лихорадочно пытаются опредилить тенденции развития рынка, то есть интересы потребителя. Возникают и тихо угасают технологии и связанное с ними производство компонентов. вопросов много больше, чем ответов.

Сети передачи данных могут быть классифицированы следующим образом:

1. Автономные локальные сети (потоки данных территориально замкнуты в пределах предприятия, офиса, дома, квартиры).
2. Локальные сети с выходом в транспортную (первичную) сеть (часть потребителей имеет выход за пределы локальной сети, например, в Интернет).
3. Сети непосредственного доступа потребителей в транспортную сеть.

Подобная упрощенная классификация в данном случае вполне достаточна (см.рис.1).

Современные телекоммуникационные сети строятся и оптимизируются согласно двухуровневой иерархии: магистральные транспортные сети и сети доступа, что гораздо э ономичнее и удобнее для построения открытых систем и доставки интегрированных услуг. При строительстве сети до 90% всей стоимости приходится на ее нижнее звено, то есть на местную сеть, или сеть доступа. Для решения проблемы «последней мили » сегодня предложен целый ряд технологий. «Последняя миля » - это часть телекоммуникационной сети связи общего пользования, расположенная между точкой распределения ресурса первичной сети и абонентским оборудованием. Кроме традиционных проводных технологий для распределения информации используются беспроводные системы абонентского доступа и ряд других технологий. Диапазон телекоммуникационных услуг, предоставляемых сейчас конечным пользователям, достаточно широк: передача данных, доступ в Интернет, телефония, интерактивное видео, связь с подвижными объектами. Каждую из услуг можно подразделить далее в соответствии с предлагаемым уровнем производительности и качества.

Типовая структура системы абонентского доступа, как правило, включает в себя сеть доступа (access network) и сеть распределения (distribution network).

• абонентский терминал (АТ) - приемно-передающее радиоустройство небольших размеров с внутренней или внешней антенной. Оконечное пользовательское оборудование подключается непосредственно к абонентскому терминалу и через радиоканал имеет доступ к сети связи;
• точка доступа (ТД) - устройство, обеспечивающее связь абонентов сети доступа с телекоммуникационной (первичной) сетью доступа;
• точка распределения (ТР) - элемент первичной сети, обеспечивающий организацию сети распределения с точками доступа.

Термин «сеть распределения » подразумевает часть сети между точкой доступа и точкой распределения. Сеть распределения может отсутствовать, если сеть доступа начинается непосредственно от точки распределения ресурса транспортной сети. В точке доступа должна обеспечиваться реализация протоколов сети доступа при взаимодействии с абонентскими терминалами, протоколов сети общего пользования при работе с узлом коммутации, а также взаимное конвертирование этих протоколов и управление потоком данных в системе абонентского доступа. На практике эти функции выполняют маршрутизаторы (в сетях передачи данных), концентраторы и базовые станции (в сотовых сетях и системах беспроводного абонентского доступа) и некоторые другие устройства. Как для сети доступа, так и для сети распределения могут быть использованы различные технологии; можно развертывать и гибридные сети. Допустимы разнообразные конфигурации сетей, которые зависят от требуемой пропускной способности, стоимости планируемой сети, топологии, ограничений, вводимых различными регулирующими организациями и т.д.

Классификация систем беспроводного абонентского доступа (WLL (Wireless Local Loop) или RLL (Radio Local Loop)) также может быть проведена по целому ряду параметров - структуре,используемому диапазону частот, содержанию трафика и т.п.

Общепринятой классификации систем WLL на сегодняшний день не существует, однако возможна некоторая систематизация по основным характеристикам (см.табл.1).

Таблица 1.Систематизация характеристик WLL

Основное назначение систем «точка - точка » в инфраструктуре «последней мили » - это подключение небольших сосредоточенных систем связи (локальной сети, учрежденческой АТС и т.д.) к корпоративным сетям, сетям связи общего пользования или телекоммуникационным узлам. Сотовые системы и системы «точка - многоточка » применяются в тех случаях, когда нужно подсоединить к узлу системы связи разрозненные группы абонентов. Существует широкое многообразие WLL-систем этих двух типов, что вынуждает классифицировать системы с сотовой структурой и структурой «точка - многоточка » по характеру их трафика. Можно выделить три основных класса таких систем:

• системы абонентского доступа к сетям передачи данных;
• системы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования;
• системы интегрального типа.

В свою очередь, системы абонентского доступа к сетям передачи данных можно разделить на следующие подклассы:

а) системы, ориентированные на обслуживание абонентов с небольшой индивидуальной интенсивностью коротких транзакций (системы мониторинга различного назначения, платежные системы безналичного расчета и др.);
б) системы, ориентированные на обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам (Интернет, услуги ISDN, удаленный доступ к локальным компьютерным сетям и др.).

Радиосистемы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования (ТФ-ОП) иногда еще называют «телефонными радиоудлинителями ». Часто беспроводные «телефонные удлинители » предоставляют также услуги передачи данных и факсимильных сообщений.

Системы интегрального типа совмещают в себе системы первых двух типов и являются более универсальными. Кроме обеспечения телефонной связи, системы интегрального типа могут обслуживать абонентов, передающих данные и видеоинформацию. Причем абоненты, передающие данные, могут работать в широком диапазоне скоростей передачи - от 1200 бит//с до десятков и даже сотен килобит в секунду. Неотъемлемой задачей таких систем является также обеспечение доступа абонентов к услугам цифровых сетей связи с интеграцией служб (ISDN).

Если находиться в рамках катехизиса, то будем последовательно рассматривать возникающие в реальной жизни вопросы, относящиеся к беспроводной передаче данных, а затем давать на них ответы. Достаточно полное рассмотрение данной проблемы потребовало бы специальных исследований, поэтому ограничимся анализом (по-видимому, неполным) материалов зарубежной (в основном американской и европейской) скорее технической, чем научной периодики, а также отечественных журналов соответствующей ориентации, которые очень верно подмечают как новинки, так и тенденции. Не будет забыт и иноязычный Интернет с известными адресами, хотя он имеет ряд специфических особенностей.

Не вдаваясь в подробности, можно отметить, что передача данных, как один из видов связи, обладает самыми высокими требованиями к достоверности передаваемой информации. Передача файлов, например, обычно не терпит ошибок вообще.

Ответ на первый вопрос «кому нужна беспроводная передача данных?» прост - всем в той или иной степени. Одним из достоинств Голливуда (кроме спецэффектов) является тот неоспоримый факт, что он формирует общественное мнение и, с точки зрения информационных технологий, в правильном направлении. «Умный дом » (smart house) требует непрерывного наблюдения за всеми системами жизнеобеспечения, автомобиль требует того же, и так далее. Это не будущее, а реальность.

Обычно коллизия между потребителем и производителем выглядела примерно так: мне нужно это, а с другой стороны звучало - а я могу это. Сейчас картина выглядит с точностью до наоборот (если не считать вечных природных и временных технологических ограничений). Движение со стороны потребителя очевидно - больше и недорого. Но что нужно? Здесь два варианта - работа и быт. Причем оба варианта не чужды друг другу. Итак, следующий вопрос - что нужно для работы? Ответ - нужно все. Где система, там и люди. Посмотрим, что могут предложить нам существующие технологии и компоненты. Для ориентации используем рис.2, на котором изображено примерное позиционирование ряда технологий беспроводной передачи данных в координатах «дальность связи - скорость передачи ».

В верхней части рисунка показаны характерные приложения данных технологий. Здесь последовательно с ростом требуемой скорости передачи размещены:передача речи, неподвижных графических изображений, низкоскоростной доступ в Интернет, беспроводная передача музыкальных произведений, потоковая передача видео, передача цифрового видео, передача многоканального видео. Дальность связи изменяется от единиц метров до единиц километров, скорость передачи данных изменяется от десятков килобит в секунду до десятков мегабит в секунду.

Варианты технологии Bluetooth 1 и Bluetooth 2 отличаются классом мощности (см.более подробно соответствующий пункт). Аббревиатура HL2 означает технологию HiperLAN2, разрабатываемую ETSI (The European Telecommunications Stahdarts Institute - европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций). Потребительские свойства технологий HL2 и IEEE802.11a близки. На рисунке не показана технология HomeRF, которая в своем первом варианте со скоростью передачи 1,6 Мбит/с близка к Bluetooth, а в варианте HomeRF 2.0 со скоростью передачи 10 Мбит/с конкурирует с IEEE802.11b.Справа от рисунка приведены соответствующие сокращения сетевых технологий, в которых могут использоваться рассматриваемые технологии. Это: PAN (относительно новое понятие - Personal Area Network), LAN (локальные вычислительные сети), и WAN (распределенные). LMDS (Local Multipoint Distribution Service) означает сеть распределения данных (сейчас применяется в сотовых системах телевидения). В данной позиции может быть размещена и MMDS (Multipoint Multichannel Distribution Service)- многоканальная система распределения данных.

Из рисунка явно следует распределение технологий по различным потребительским нишам и наличие конкурирующих технологий, которые обычно имеют американское и европейское происхождение. Технологии, размещенные рядом друг с другом, также могут быть частично взаимозаменяемыми, то есть они скорее дополняют друг друга, чем конкурируют.

Используемые частотные диапазоны и их регулирование

На рис.2 отсутствует информация об используемых частотных ресурсах. Вообще говоря, для передачи данных могут использоваться как диапазоны частот, требующие государственного разрешения (а вместе с ним и оплаты лицензирования), так и нелицензируемые интервалы частот, относительно свободные для их использования. Обычно это относится к ограничению допустимой плотности электромагнитного поля в дальней зоне, которая определяется мощностью передатчика и параметрами направленности антенн. Сейчас характерным является широкое использование нелицензируемых диапазонов частот. Потенциально это неизбежно приведет (и приводит) к возникновению проблем как внутрисистемной, так и межсистемной ЭМС (электромагнитной совместимости).

К данному типу частотных ресурсов относится ISM (Industrial, Scientific, and Medical Equipment) - диапазон частот, который предназначен для использования в нелицензируемом оборудовании (промышленном, научном, медицинском, домашнем или аналогичном), за исключением приложений в области связи. Оборудование должно генерировать и использовать радиочастотную энергию локально. В США данный диапазон включает в себя ряд интервалов: 915,0 ± 13 МГц; 2450 ±50 МГц; 5,8 ± 0,075 ГГц; 24,125 ± 0,125 ГГц. Европейский вариант имеет некоторые отличия.

Сейчас интервал частот 2450 МГц широко используется для организации систем передачи данных на короткие расстояния (например, беспроводных локальных сетей WLAN). В России разрешено применение на вторичной основе интервала 2400 –2483,5 МГц (вторичность означает невозможность применения при возникновении помех системам, использующим данный диапазон на первичной основе). В настоящее время в соответствии с решением ГКРЧ от 29.04.2002 (протокол №18/3) «О порядке использования на территории Российской Федерации внутриофисных систем передачи данных в полосе частот 2400 –2483,5 МГц » разрешается использование юридическими и физическими лицами полосы частот для организации на территории Российской Федерации внутриофисных систем беспроводной передачи данных на вторичной основе и при условии непредъявления претензий на возможные помехи от РЭС военного и гражданского назначения, а также от высокочастотных установок промышленного, научного, медицинского и бытового применения, использующих указанную полосу частот. При этом следует учитывать, что для этих систем не требуется согласований с радиочастотными органами Министерства обороны Российской Федерации и другими (при необходимости) министерствами и ведомствами России. Для получения разрешения на использование радиочастот для эксплуатации внутриофисных систем передачи данных заявитель направляет в адрес ФГУП «Главный радиочастотный центр » радиочастотную заявку по форме, указанной в приложении 1 решения ГКРЧ от 29.04.2002 (протокол № 18//3). При отсутствии замечаний по заявке ФГУП «Главный радиочастотный центр » готовит проекты разрешительных документов. После оплаты работ по экспертизе заявки заявителю выдается разрешение на использование полосы частот 2400 –2483,5 МГц для эксплуатации РЭС внутриофисных систем. На основании этого документа заявитель получает в соответствующем ФГУП Радиочастотного центра федерального округа разрешение на эксплуатацию РЭС.

Интервал 5,8 ГГц совпадает с частотами, выделенными для систем U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure - нелицензируемая Национальная информационная инфраструктура), обеспечивающими быстрое развертывание систем при намного меньших затратах, чем в случае диапазонов, требующих лицензирования. В январе 1997 года Федеральная комиссия по связи (FCC) США выделила для услуг U-NII три диапазона частот суммарной шириной 300 МГц в диапазоне 5 ГГц: диапазон U-NII 1 (5,15 –5,25 ГГц) и диапазон U-NII 2 (5,25 –5,35 ГГц), предназначенные для локальных сетей и других приложений связи на коротких расстояниях, и диапазон U-NII 3 (5,725 –5,825 ГГц) для сетей, требующих большей дальности связи. В России частоты диапазона 5,725 –5,875 ГГц могут использоваться при том условии, что уровень радиопомех от источников излучений не будет превышать допускаемый уровень индустриальных радиопомех.

Более того, FCC заявила о необходимости изменить саму методологию распределения частотных диапазонов. Главная идея - распределять спектр динамически, так как отдельные частотные интервалы используются очень интенсивно,а другие практически свободны. Предполагается также учесть в лицензировании не только сами частоты, но и время их занятия, мощность излучения. Рекомендуется также проработать вопрос более эффективного анализа помех, установить максимальный уровень мощности передачи в зависимости от диапазонов частот и уровня шумов. И наконец,предлагается ввести три вида лицензирования частотных ресурсов: эксклюзивное пользование, общее пользование и контролируемое пользование. На наш взгляд, такой подход вполне адекватен современности.

Краткая характеристика технологий

Приведем краткую характеристику технологий беспроводной передачи данных, а затем осуществим их сравнительный анализ. Традиционно в данной области телекоммуникаций (и не только здесь) конкурируют американские стандарты IEEE, европейские стандарты ETSI и фирменные стандарты.

Технология ZigBee продвигается организацией ZigBee Alliance, ставящей своей целью обеспечение верхних слоев семиуровневой модели стеком протоколов (от сетевого уровня до уровня приложений), включая профили приложений и инженерную реализацию компонентов данной технологии. К разработке соответствующего стандарта низкоскоростной передачи данных подключился комитет IEEE 802.15.4, разрабатывающий уровни MAC (управление доступом к среде передачи - media access control) и PHY (уровень передачи сигналов в физической среде) семиуровневой модели. Именно первый,физический уровень (PHY) в основном определяет стоимость системы, скорости передачи данных, потребляемую мощность, габариты и диапазон используемых частот.

Назначение данной технологии - обеспечить компонентами системы автоматизации и дистанционного управления различного назначения. При этом для АТ была поставлена цель обеспечения их автономным батарейным питанием двумя элементами типа АА в течение времени от полугода до двух лет. Варианты применения устройств, построенных на основе данной технологии: беспроводные системы обеспечения безопасности жилища от несанкционированного проникновения в них; удаленное управление кондиционерами, системой освещения помещений и оконными жалюзи; управление какими-либо устройствами инвалидами, пожилыми людьми и детьми; универсальное управление аудио и видеоустройствами; беспроводные клавиатура, мышь ПК, пульт управления игровой приставкой; беспроводные детекторы задымления и наличия СО; автоматизация и управление элементами промышленных и жилых помещений (освещением и т.п.).

Предусматривается разработка шлюзов для взаимодействия данных систем с другими сетями передачи данных.

Используемые частоты: ISM (2,4 ГГц со скоростью 250 кбит/с), европейский диапазон 868 МГц (20 кбит/с) и американский диапазон 915 МГц (40 кбит/с).

Технология Bluetooth - это технология передачи данных по радио на малые расстояния (до 10 м, с возможностью расширения до 100 м), позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии, не требуя прямой видимости. По мощности радиопередатчика аппаратура делится на три класса: первый (максимальная выходная мощность 100 мВт), второй (2,5 мВт) и третий (1 мВт).

Разработку технологии начала компания Ericsson Mobile Communications. Первоначальной ее целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и гарнитурами. Кроме того, новый интерфейс предназначался для передачи данных между ПК, между ПК и его периферией, между ноутбуком и сотовым телефоном и т.п.

В феврале 1998 года. Ericsson совместно с Intel, IBM, Toshiba и Nokia сформировали специальную группу по разработке и продвижению технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Эта технология полностью открыта, а поэтому любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на ее основе.

Семейство стандартов IEEE 802.11х разрабатывается американским институтом IEEE. Стандарт IEEE 802.11, разработка которого была завершена в 1997 г., является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них - протокол управления доступом к среде MAC (нижний подуровень канального уровня) и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. Стандартом 802.11 определен единственный подуровень MAC, взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня, соответствующих различным технологиям передачи сигналов - по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS) и ППРЧ (FHSS), а также с помощью инфракрасного излучения. Спецификациями стандарта предусмотрены два значения скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит//с. По сравнению с проводными ЛВС Ethernet-возможности подуровня MAC расширены за счет включения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высокого уровня, в частности, процедур фрагментации и ретрансляции пакетов. Это вызвано стремлением повысить эффективную пропускную способность системы благодаря снижению накладных расходов на повторную передачу пакетов.

В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением столкновения пакетов).

Управление питанием. Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, используемых в беспроводных ЛВС, стандартом 802.11 предусмотрен механизм переключения станций в так называемый пассивный режим с минимальным потреблением мощности.

Архитектура и компоненты сети . В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура,причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, являющейся ТД, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания. Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями.

Роуминг. Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), однако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает.

Обеспечение безопасности. Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен целый комплекс мер безопасности передачи данных под общим названием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противодействия несанкционированному доступу к сети (механизмы и процедуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информации (шифрование).

Сейчас наибольшее распространение получил стандарт IEEE 802.11b. Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛВС Ethernet, а также ориентации на диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей. В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный так же, как Wi-Fi (Wireless Fidelity), был принят в 1999 году. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены. Дальнейшим развитием семейства IEEE 802.11x явился стандарт IEEE 802.11a, который предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 году, определены три обязательных скорости - 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с). В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методо и радиотехнологиями DSSS и FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала. К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц - около 100 м).

Для полноты рассмотрения возможностей семейства IEEE802.11x представим краткую характеристику ряда других стандартов и их спецификаций. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот и т.д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки. Спецификации другого разрабатываемого стандарта 802.11е позволяют создавать мультисервисные беспроводные ЛС, ориентированные на различные категории пользователей, как корпоративных, так и индивидуальных. При сохранении полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и 802.11b он позволит расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS). Спецификации 802.11f описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих спецификаций 802.11 MAC и 802.11a PHY алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля излучаемой мощности и генерации соответствующих отчетов. Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных ETSI. Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами.

Спецификации стандарта IEEE 802.11i позволят расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций. В основе стандарта лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон - вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами. Разрабатываемые средства защиты данных должны найти применение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях - Ethernet и Token Ring. Поэтому будущий стандарт получил номер IEEE 802.1X, а его разработку группа 802.11i ведет совместно с комитетом IEEE 802.1.

Спецификации стандарта 802.11g, находящиеся сейчас в стадии рассмотрения, представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛВС до 22 Мбит/с (а возможно, и выше) благодаря использованию более эффективной модуляции сигнала. Из нескольких предложений по базовой радиотехнологии для данного стандарта рабочая группа IEEE недавно выбрала решение компании Intersil, основанное на методе OFMD. Одним из достоинств будущего стандарта является обратная совместимость с 802.11b.

Спецификации стандарта 802.11j будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2.

Нельзя не упомянуть деятельность IEEE в области технологий LMDS и MMDS (правый верхний угол рис.2). Местные и многоканальные многоточечные распределительные системы LMDS и MMDS (которые называют так-же «сотовым телевидением » и «беспроводным КТВ »), первоначально предназначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспроводной передачи данных на «последней миле ». Радиус действия передатчиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1 –2,7 ГГц, может достигать 40 –50 км, в то время как максимальная дальность передачи сигнала в системах LMDS, использующих значительно более высокие частоты в области 27 –31 ГГц, составляет 2,5 –3 км. Массовому распространению этих систем до сих пор мешало отсутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовместимость продуктов разных производителей. В начале 2000 года для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи в IEEE был создан рабочий комитет 802.16. Первоначально он сосредоточился на вопросах стандартизации систем LMDS диапазона 28 –30 ГГц, однако вскоре полномочия комитета были распространены на область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе образовано несколько рабочих групп. Группа 802.16.1 разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для систем, использующих диапазон 10 –66 ГГц. Рабочая группа 802.16.2 занимается вопросами «сосуществования » сетей фиксированного широкополосного доступа в нелицензируемых диапазонах 5 –6 ГГц (в частности, с беспроводными ЛС на базе стандарта 802.11а). Наконец, группа 802.16.3 готовит спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2 –11 ГГц. Главной целью создания этой группы стало содействие ускоренному развертыванию систем MMDS путем предоставления производителям возможности создавать совместимые продукты на основе единого стандарта.

Стандарты разрабатываются на базе единой эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех типов в тракте связи между абонентскими устройствами или сетями (например, ЛВС или учрежденческими АТС) и транспортной сетью (ТфОП или Интернет). Первый радиоинтерфейс определяет взаимодействие абонентского приемо-передающего узла с базовой станцией, второй включает в себя два компонента, охватывающие обмен сигналами между радиоузлами и «находящимися за ними » сетями - абонентской и транспортной (в детальной проработке спецификаций этого интерфейса участвуют и другие комитеты IEEE). Спецификации третьего, дополнительного радиоинтерфейса определяют использование повторителей или отражателей для увеличения зоны охвата системы и обхода препятствий на пути распространения сигнала.

Комитетом 802.16 уже приняты предварительные спецификации радиоинтерфейсов систем диапазона 10 – 66 ГГц, использующих технологии доставки сигнала с одной несущей. Стандарт 802.16а определяет для систем диапазона 2 – 11 ГГц оба метода передачи сигнала - с одной несущей и OFDM, а стандарт 802.16b для диапазона 5 – 6 ГГц определяет технологию OFDM.

Европейским «ответом » созданию американских стандартов явилась разработка технологии HiperLAN2 (High Perfomance Radio LAN), которая обещает стать основным конкурентом технологий беспроводных ЛС 802.11. Инициаторами и активными сторонниками нового стандарта являются компании Nokia и Ericsson. Так же, как и 802.11а, стандарт HiperLAN2 ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и способен обеспечить скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Оба стандарта используют сходные методы модуляции сигнала на основе мультиплексирования с ортогональным разделением частот (OFDM), однако имеют различные спецификации протоколов доступа к среде MAC. Если для 802.11а он аналогичен Ethernet, то в HiperLAN2 больше напоминает АТМ. Другим отличием HiperLAN2 от 802.11а, которое может дать ему некоторое преимущество над конкурентом, стала поддержка трафика мультимедиа и QoS (802.11а ориентирован в основном на передачу данных). По информации ETSI, разработка стандарта ведется с учетом совместимости оборудования с системами 802.11а.

Американская технология HomeRF ориентирована на создание «домашней мультимедийной среды », объединяющей в себе каналы передачи данных, телефонии, аудио-и видео-информации, возможно в перспективе телеметрии охранных систем и систем жизнеобеспечения. Кроме того, технология позволяет обеспечить выход в Интернет с достаточно большой скоростью. Отсюда и предъявляемые требования к технологии: низкая стоимость, малое энергопотребление (особенно для портативных устройств), уменьшенные габариты, простота технической и программной инсталляции. Структура домашней мультимедийной сети, построенной по технологии HomeRF, представлена на рис.3. В качестве мобильных терминалов могут выступать персональные компьютеры, беспроводные телефонные трубки, гарнитуры. Точка доступа (на рисунке обозначенная как базовая станция) обеспечивает проводную связь с Интернет.

Технология использует диапазон рабочих частот 2,4 ГГц, применяется адаптивная ППРЧ с числом скачков 50 – 100 в секунду. Первый вариант стандарта обеспечивал пиковую скорость передачи данных до 1,6 Мбит/с и типичную дальность связи до 50 м. Второе поколение HomeRF 2.0 позволяет передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Оба варианта характеризуются в настоящее время малым потреблением мощности абонентскими терминалами в режиме ожидания при наличии связности по протоколу TCP/IP (менее 10 мВт в режиме «on line »). Третье поколение технологии обеспечит скорость передачи до 20 Мбит/с.

Спецификации, описывающие сетевой интерфейс, относятся к двум нижним слоям семиуровневой модели OSI (Open Systems Interconnection)(см.рис.4).

Второй уровень (управление передачей данных - data link control, DLC) в данном случае определяет управление доступом к среде передачи (MAC) и обеспечивает особенности передачи речи или приоритетных данных, безопасность связи, роуминг и соответствие верхним уровням модели. Параметры обоих нижних уровней в данном стандарте совместно оптимизированы для обеспечения заданных требований по внутри-и внесистемной ЭМС.

Технология HomeRF обеспечивает три типа передачи данных (см.рис.4):

• асинхронный, без установления соединения типа «передача данных пакетами » (или «беспроволочный Ethernet ») на основе протокола TCP/IP («Ethernet » Data Path);
• распределенный по приоритетам - сеансовая передача мультимедийных данных на основе UDP/IP (Streaming Data Path);
• изохронная, дуплексная, симметричная, двусторонняя передача для ведения телефонных переговоров в соответствии с DECT-протоколом (Toll Quality Voice Path).

Временной домен построен таким образом, что в пределах временного интервала (10 или 20 мс) первыми передаются приоритетные данные (всего возможно наличие до восьми уровней приоритета). Последняя часть основной длительности домена предназначена для передачи сигналов речевого обмена и делится на соответствующее число слотов фиксированной длины. Передача речи организуется на основе протоколов верхнего уровня стандарта DECT. Более того, в технологии HomeRF непосредственно применяются технические решения производителей оборудования DECT. Важным является то, что чем меньше речевой обмен, тем выше скорость передачи данных. В зависимости от величины речевого трафика 10 или 20 мс длительности временного домена отводится для передачи асинхронного трафика. Одновременно может осуществляться передача до восьми потоков пакетов, при этом очередность передачи определяется заданным приоритетом. Однако, если число потоков меньше восьми, резервирование пакетов (задержка передачи) отсутствует. Последняя часть домена обеспечивает передачу потерянных речевых пакетов на другой частоте, что уникально в данной технологии и позволяет обеспечить качество передачи речи, соответствующее проводной связи.

Сравнение ряда технологий

Начнем с левого нижнего угла рисунка и сравним между собой технологии Bluetooth и ZigBee. Результаты сравнительного анализа представлены в виде табл.2.

Примечания:

1. Скорость передачи в радиолинии, использующей дискретные, например, цифровые сигналы, измеряется в бодах, что соответствует числу дискретных изменений параметров сигнала в единицу времени. Иногда данный параметр называют технической скоростью передачи, так как он характеризует работу модема радиолинии. Информационная скорость передачи измеряется в битах или байтах, передаваемых в единицу времени, и характеризует производительность источника информации. Потребителя интересует «битовая » скорость передачи, а производитель реализует ее с помощью конкретного модема. Отсюда следует расхождение в значениях данных параметров для одной и той же радиолинии.
2. Абонентские терминалы могут находиться в трех режимах: активном (ведется передача), в режиме дежурного приема (терминал готов к немедленной передаче) и режиме «сна », из которого терминал выходит лишь периодически и достаточно долго. Последний режим резко уменьшает энергопотребление абонентского терминала.

Теперь сравним между собой технологии HomeRF и IEEE802.11х. В качестве показателей соответствия рассматриваемых технологий решаемым задачам примем следующее: стоимость, качество речевого обмена, поддержку мультимедийного обмена, скорость передачи данных, дальность связи, потребляемую мощность, массо-габаритные параметры, топологию сети, внешнюю ЭМС, внутреннюю ЭМС, защиту от перехвата и наличие роуминга вне помещения. Технологии будем сравнивать по абсолютным показателям данных параметров.

Стоимость. Более низкая сложность дает HomeRF преимущество по стоимости перед IEEE802.11. В ближайшие несколько лет при одинаковых объемах производства HomeRF будет иметь преимущество по параметру ВОМ (Bill of Materials) не менее чем с коэффициентом 2.

Качество речевого обмена. Технология HomeRF обеспечивает многоканальный речевой обмен с показателями качества, соответствующими проводной связи, а технология IEEE802.11 явно не удовлетворяет современным требованиям. В данном аспекте HomeRF ориентируется на стандарт DECT с его проверенной технологией. IEEE802.11 вообще не ориентирован на речевой обмен, для обеспечения которого необходимо использование специальных дополнительных устройств. Однако и в этом случае передача речи не защищена от внешних воздействий. В наличии и такой недостаток, как несовместимость с технологией DECT.

Поддержка мультимедийного обмена. Технология HomeRF поддерживает независимую от речевого обмена многонаправленную мультимедийную передачу с несколькими приоритетами доступа. IEEE802.11b и IEEE802.11а позволяют передавать данные с большой скоростью, однако при наличии значительного трафика асинхронных данных на сети возможны нежелательные последствия. Данную проблему решает группа разработчиков IEEE802.11е путем совершенствования уровня МАС. Имеются наработки частных компаний в данном направлении, но это «уже не технология IEEE802.11 ».

Таблица 2.Сравнение технологий Bluetooth и ZigBee

Скорость передачи данных . HomeRF и IEEE802.11 обеспечивают необходимую для высокоскоростной системы скорость передачи, но для HomeRF его дальнейшее развитие до скоростей порядка 20 Мбит/с не связано с такими глобальными проблемами, как для IEEE802.11 (переход в новый диапазон частот). IEEE802.11b также развивается в направлении увеличения скорости передачи данных до 20 Мбит/с с сохранением обратной совместимости (группа разработки IEEE802.11g), однако предлагаемые решения приводят к нарушению существующих правил использования диапазона 2,4 ГГц. Скорее успеха добьется IEEE802.11а, но она не обладает совместимостью с существующей IEEE802.11b.

Дальность связи. IEEE802.11 первоначально была рассчитана на работу при отсутствии внешних мешающих воздействий, в то время как HomeRF разработана для условий сложной электромагнитной обстановки.

Потребляемая мощность . Технология HomeRF оптимизирована для низкого энергопотребления АТ в режиме ожидания. То же относится и к активной фазе работы устройств.

Массо-габаритные параметры . Техника HomeRF имеет значительно более простое устройство портативных компонентов. Для IEEE802.11 также широко применяются PC Card (или PCMCIA Card), однако наименьшие параметры соответствуют Compact Flash Card, которая пока может использоваться только в HomeRF.

Топология сети. Технология HomeRF одновременно поддерживает взаимодействие элементов иерархической сети и элементов одноуровневой сети. Иерархическая структура идеальна для высококачественной передачи речи и интернет-приложений типа webcasting. Одноуровневая структура удобна при эффективном распределении ресурсов сети (например, для доступа к обслуживающему прибору). Bluetooth - по существу система типа «точка - многоточка ». Это эффективно в сети «главный компьютер/сеть пользователей » (особенно с учетом того, что главный элемент может не определяться заранее). Однако данный факт изначально определяет неэффективное использование «пропускной способности системы » в целом. Варианты стандарта IEEE802.11 могут функционировать в обоих типах сетей (PCF - Point Coordination Function или DCF - Distributed Coordination Function), но не одновременно в обоих. Существующие изделия варианта IEEE802.11b функционируют только в DCF. Уменьшение потребляемой мощности и реализацию приоритетной передачи данных можно достичь в более сложной и дорогой PCF. Исследовательская группа IEEE802.11e активно изучает вопросы развития PCF на основе изменения уровня MAC, что может в корне изменить развитие технологии варианта IEEE802.11b в направлении потоковой передачи данных. Дополнительной сложностью при решении данной задачи явится обеспечение роуминга потребителей.

Внешняя ЭМС. HomeRF был изначально разработан, чтобы успешно противодействовать внешнему вмешательству в диапазоне 2,4 ГГц. Для сохранения высокого качества речевого обмена в условиях воздействия внесистемных помех предусмотрена особая технология повторной передачи пораженных речевых пакетов. В отсутствие предельного трафика речевого обмена обеспечивается качественная передача потоков данных на основе использования ППРЧ. К настоящему времени стандарт IEEE802.11b исследован гораздо больше на предмет эффекта воздействия нежелательных излучений, хотя имеющиеся данные во многом противоречивы. Так, например, большинство пользователей не обращает внимания на уменьшение на 10 –40% скорости передачи устройства, находящегося рядом с микроволновой печью. Большой проблемой для сетей IEEE802.11 являются существенные флуктуации качества передачи речи при значительном объеме передачи данных (внутренняя перегрузка сети). Вариант IEEE802.11a «не зависит » от интерференционных проблем сегодня только потому, что в настоящее время диапазон 5 ГГц относительно свободен, однако в перспективе его подстерегают те же проблемы.

Внутренняя ЭМС. Цель разработки IEEE802.11 - эффективная организация ЛВС на одном большом предприятии, а не на многих малых, размещенных рядом друг с другом. Оптимизировалась производительность системы в целом, а не одного или группы пользователей. При обнаружении излучения (даже с уровнем ниже мешающего) устройство перестает работать в сети, и две реально не мешающие друг другу сети перестают функционировать. Технология HomeRF потенциально лишена этого недостатка.

Защита от перехвата. Рассматриваемые стандарты являются цифровыми и использование стандартных процедур шифрования и аутотенфикации защищают их на бытовом уровне от радиоперехвата. Однако от специальных систем они не имеют достаточной защиты. Проведенные исследования показали вскрываемость системы защиты IEEE02.11b и возможность подключения устройства пользователя к внешней сети для несанкционированного доступа к его информации или ввода в него дезинформации даже без определения шифроключа. HomeRF обеспечивает лучшую защиту на логическом уровне.

Роуминг вне помещения. Обеспечивается обоими стандартами.

Интегральный вывод из проведенного анализа целого ряда технологий следующий: каждая технология разработана для своей цели. Стандарт IEEE802.11 рассчитан на использование в сфере бизнеса. Технология HomeRF предназначена для создания домашней мультимедийной сети с широкополосным доступом пользователей к Интернету. Bluetooth обеспечивает беспроводную связь в подвижных (транспортных) системах и в помещениях небольшого объема. ZigBee является стандартом для создания технологических сетей обмена телеметрией и командами управления.

В настоящее время преодолеть разногласия отдельных групп разработчиков и производителей технологий передачи данных не удалось. Удастся ли создать единую технологическую платформу для передачи данных? Пока что решение этой задачи не очевидно.

Владимир Дмитриев

Беспроводная передача данных, при которой сигналы передаются через воздух или космос без каких-либо физических ограничений, становится популярной альтернативой физическим каналам передачи, таким как витая пара, коаксиаль­ный или оптоволоконный кабель. В настоящее время общие технологии для беспро­водной передачи данных объединяют микроволновую передачу, коммуникацион­ные спутники, пейджеры, сотовые телефоны, персональные коммуникационные службы (PCS), интеллектуальные телефоны, персональные карманные компью­теры (PDA) и сети мобильных данных.

Средством беспроводной передачи служит спектр электромагнитных волн, показанный на рис. 8.3. Некоторые типы беспроводной передачи, такие как мик­роволны или инфракрасные волны, занимают специфические спектральные диа­пазоны частот, измеряемые в мегагерцах (МГц). Другие типы беспроводной пере­дачи получили широкое распространение в настоящее время (например, сотовые телефоны или пейджинговые устройства), поэтому в этом случае выделяется специ­фический диапазон частот, предоставляемый национальными регулирующими агентствами, который регулируется международными соглашениями. Каждый диапазон частот имеет присущие ему преимущества и недостатки, облегчающие выбор области его применения.

Микроволновые системы, как наземные, так и воздушные, передают высоко­частотные радиосигналы через атмосферу и широко используются для передачи больших объемов данных на огромные расстояния, из одного пункта в другой. Микроволновые сигналы передаются по прямой линии и не способны огибать кривизну Земли; поэтому наземные системы передачи на дальние расстояния требуют, чтобы станции передачи были расположены на расстоянии от 25 до 30 миль друг от друга, что приводит к их удорожанию.

Эта проблема может быть решена путем отражения микроволновых сигналов от спутников, которые служат ретрансляционными станциями для микроволно­вых сигналов, передаваемых от наземных станций. Коммуникационные спутни­ки эффективны (обеспечивают минимальные издержки) при передаче огромного количества информации на сверхбольшие расстояния. Спутники обычно исполь­зуются для осуществления коммуникаций в среде больших, географически раз­бросанных организациях, когда затруднена связь с помощью кабельных систем или наземных микроволновых станций. Например, компания Amoco использует спутники для передачи данных, содержащих результаты разведки нефтяных за­лежей на океанском шельфе, в режиме реального времени. Исследовательские корабли передают собранные данные, используя геосинхронные (геостационар­ные) спутники, в центральные компьютерные центры в США в целях их даль-

нейшего использования исследователями в Хьюстоне, Тулзе и пригородах Чика­го. На рис. 8.4 иллюстрируются принципы работы этой системы.

Обычные коммуникационные спутники вращаются по стационарным орбитам на расстоянии примерно 22 тыс. миль от поверхности Земли. В последнее время запускаются новейшие спутниковые системы, так называемые низкоорбиталь­ные спутники. Эти спутники находятся значительно ближе к Земле и способны улавливать сигналы от маломощных передатчиков. Эти спутники также потреб­ляют меньше энергии, а их запуск обходится дешевле, чем в случае с геостацио­нарными спутниками. С такими беспроводными сетями деловые люди смогут путешествовать всюду по миру и иметь доступ к богатым коммуникационным возможностям, включая видеоконференции и доступ к Интернету.

Другие беспроводные передающие технологии используются в ситуациях, требующих удаленного доступа к корпоративным системам и мобильным вычис­лительным мощностям. Пейджинговые системы применяются несколько десяти­летий, первоначально только подавая звуковой сигнал, когда пользователь, полу­чая сообщение, должен был перезвонить в офис, чтобы узнать о содержании самого

Microwave (микроволны/радиоволны)

Передача больших объемов информации, на дальние расстояния из пункта в пункт передачей через атмосферу радиосигналов высокой частоты от одной наземной станции к другой.

Satellite (спутниковый канал)

Передача данных с использованием орбитальных спутников, которые служат в качестве ретрансляционных станций для передачи микроволновых сигна­лов на очень большие расстояния.

Paging system (пейджинговая система)

Беспроводная передающая технология, предусматривающая прием пейдже­рами радиосигналов, сопровождаемый соответствующим звуком в момент получения сообщения; используется для передачи коротких алфавитно-чис-ловых сообщений.

сообщения. В настоящее время пейджинговые устройства могут посылать и по­лучать короткие алфавитно-числовые сообщения, которые пользователь читает на экране пейджера. Пейджинг полезен для сообщения с подвижными рабочими, такими как ремонтные бригады; односторонний пейджинг также может обеспе­чить недорогой способ сообщения с работниками в офисах. Например, Computer Associates распространяет двусторонние пейджеры, снабженные управляющими программами СА Unicenter, которые позволяют операторам компьютерных сетей контролировать ситуацию, а также оперативно реагировать на возникающие про­блемы.

Сотовые телефоны функционируют путем передачи/приема радиоволн для сообщения с базовыми станциями, расположенными внутри смежных географи­ческих территорий, называющихся сотами. Телефонный сигнал передается ло­кальной соте, затем он передается от станции к станции (от соты к соте), пока не достигнет целевой соты, после чего передается получающему телефону. По мере того как сотовый сигнал перемещается от одной соты к другой, компьютер, кото-

Cellular telephone (сотовый телефон)

Personal communication services (PCS) (персональные коммуникацион­ные услуги)

Цифровая сотовая технология, которая использует радиоволны более низкой мощности, более высокой частоты, чем аналоговая сотовая технология.

Smart phone (интеллектуальный телефон)

Беспроводной телефон, предлагающий возможности голосовой и текстовой связи, а также подключение к Интернету.

рый контролирует сигналы от сот, выделяет радиоканал, назначенный следу­ющей соте. Размер шестиугольных сот обычно достигает восьми миль, хотя он может уменьшаться в густонаселенных местностях.

Более старые сотовые системы являются аналоговыми, а более новые сотовые системы - цифровые. Персональные коммуникационные службы (PCS) являют­ся популярным типом цифровой сотовой услуги. Служба PCS носит полностью цифровой характер. С ее помощью обеспечивается передача речи и данных, а так­же используется более высокочастотный диапазон, чем в случае с аналоговыми сотовыми телефонами. Соты PCS значительно меньше по размеру и более близко расположены, чем аналоговые соты, и могут передавать больший объем трафика. В дополнение к речевым коммуникациям более новые модели цифровых со­товых телефонов могут обрабатывать голосовую почту, электронную почту и фак­сы; сохранять адреса; обеспечивать доступ к частным корпоративным сетям, а так­же к Интернету. Эти интеллектуальные телефоны оснащены web-браузерами, благодаря чему обеспечивается доступ к web-страницам, содержащим текст или другую информацию (без графики), что удобно в случае устройств, снабженных небольшими по размеру экранами. Некоторые модели интеллектуальных теле­фонов снабжены большими экранами, а также дополнительными клавиатурами, что облегчает доступ к Интернету. В гл. 9 подробно рассматривается применение этих устройств для обеспечения беспроводного доступа к Интернету.

Карманные компьютеры (PDA) являются маленькими, снабженными сенсор­ными экранами, портативными компьютерами, обеспечивающими возможность полностью цифровой передачи данных. Устройства PDA имеют встроенные бес­проводные телекоммуникационные возможности, а также программное обеспече­ние органайзера. Хорошо известным примером является подключаемый органайзер Palm VII. Это устройство позволяет выполнять обмен сообщениями электронной почты, а также обеспечивает доступ к Интернету. Поддерживаются также такие приложения, как электронный планировщик, адресная книга и финансовый орга­низатор. Устройство может принимать данные, введенные с помощью пера, водимо­го по сенсорному экрану. В «Организационном окне» описана деятельность организации Safeway U. К., использующей PDA в приложении электронной ком­мерции для совершения покупок в гастрономе.

Personal digital assistants (PDA) (карманные компьютеры)

Маленькие, снабженные сенсорными экранами, портативные компьютеры, обладающие встроенными цифровыми телекоммуникационными возможно­стями.

Mobile data networks (сети мобильных данных)

Беспроводные сети, которые осуществляют двустороннюю передачу файлов данных дешево и эффективно.

Беспроводные сети, специально спроектированные для двусторонней пере­дачи файлов данных, называются мобильными сетями данных. Эти основанные на радиоволнах сети передают данные, генерируемые портативными компьюте­рами. Другой тип сети мобильных данных основан на сериях передатчиков, пост­роенных специально для передачи текста и данных. Сеть Ardis (которой владеет American Mobile Satellite Corp.) является общедоступной сетью, которая исполь­зует описанные возможности для организации двусторонней передачи данных в национальном масштабе. Компания Otis Elevators использует сеть Ardis для управ­ления перемещениями специалистов по техническому обслуживанию в пределах всей страны, находясь в офисе, расположенном в штате Коннектикут. Специали­сты применяют эту сеть для отсылки составленных отчетов.

Беспроводные сети и передающие устройства более дорогие, медленные и склон­ные к ошибкам, чем обычные локальные сети (Varshney and Vetter, 2000). Однако основные цифровые сотовые сети постоянно повышают скорость передачи дан­ных (гл. 9). (Владельцы спутниковых систем, таких как Teledesic, тратят мил­лиарды на обеспечение огромных скоростей передачи больших объемов данных по беспроводным сетям, связанным с мультимедийными приложениями.) Обес­печение оптимальной пропускной способности и энергопотребления в беспро­водных устройствах требует внимательного управления с точки зрения как тех­нического, так и программного обеспечения (Imielinski and Badrinath, 1994). Вследствие того что радиосигнал может быть легко перехвачен, затрудняется обеспечение безопасности и секретности (гл. 14),

Данные не могут быть переданы в целостном виде между разными беспровод­ными сетями, если они используют несовместимые стандарты. Например, циф­ровая сотовая служба в Соединенных Штатах поддерживается разными операто­рами, использующими одну из нескольких конкурирующих цифровых сотовых технологий (CDMA, GSM 1900 и TDMA IS-136), которые несовместимы одна с другой. Многие цифровые сотовые портативные приемники, которые исполь­зуют одну из этих технологий, не могут действовать в странах за пределами Се­верной Америки, они функционируют на различных частотах с разными набора­ми стандартов. Детальное рассмотрение этих стандартов, а также других сетевых стандартов производится в гл. 9.

В статье рассматриваются три технологии беспроводной передачи данных, названия которых, что называется, у всех на слуху: ZigBee, BlueTooth и Wi-Fi, а также приводятся возможные области их использования и рекомендации по выбору технологии для конкретной задачи.

Технология беспроводной передачи данных BlueTooth

Технология BlueTooth (стандарт IEEE 802.15) стала первой технологией, позволяющей организовать беспроводную персональную сеть передачи данных (WPAN - Wireless Personal Network). Она позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10–100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости.

Своему рождению BlueTooth обязана фирме Ericsson, которая в 1994 году начала разработку новой технологии связи. Первоначально основной целью являлась разработка радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволял бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. Однако впоследствии работы по разработке радиоинтерфейса плавно переросли в создание новой технологии.

На телекоммуникационном рынке, а также на рынке компьютерных средств успех новой технологии обеспечивают ведущие фирмы-производители, которые принимают решение о целесообразности и экономической выгоде от интеграции новой технологии в свои новые разработки. Поэтому, чтобы обеспечить своему детищу достойное будущее и дальнейшее развитие, в 1998 году фирма Ericsson организовала консорциум BlueTooth SIG (Spesial Interest Group), перед которым ставились следующие задачи:

• дальнейшая разработка технологии BlueTooth;
• продвижение новой технологии на рынке телекоммуникационных средств.

В консорциум BlueTooth SIG входят такие фирмы, как Ericsson, Nokia, 3COM, Intel, National Semiconductor.

Логично было бы предположить, что первые шаги, предпринимаемые консорциумом BlueTooth SIG, будут заключаться в стандартизации новой технологии с целью совместимости BlueTooth-устройств, разработанных разными фирмами. Это и было реализовано. Для этого были разработаны спецификации, детально описывающие методы использования нового стандарта и характеристики протоколов передачи данных.

В результате был разработан стек протокола беспроводной передачи данных BlueTooth (рис. 1).

Рис. 1. Стек протокола Bluetooth

Технология BlueTooth поддерживает как соединения типа «точка–точка», так и «точка–многоточек». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet).

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рис. 2).

Рис. 2. Пикосеть с подчиненными устройствами. а) с одним подчиненным устройством. б) несколькими. в) распределенная сеть

С момента появления на рынке первых модулей BlueTooth их широкому применению в новых приложениях препятствовала сложная программная реализация стека протокола BlueTooth. Разработчику необходимо было самостоятельно реализовать управление BlueTooth-модулем и разработать профили, определяющие взаимодействие модуля с другими BlueTooth-устрой ствами с помощью команд интерфейса хост-контроллера (HCI - Host Controller Interface). Интерес к технологии BlueTooth возрастал с каждым днем, появлялись все новые и новые фирмы, разрабатывающие для нее компоненты, но не было решения, которое бы в значительной степени упростило бы управление BlueTooth-модулями. И такое решение было найдено. Финская фирма, изучив ситуацию на рынке, одной из первых предложила разработчикам следующее решение.

В большинстве случаев технология BlueTooth используется разработчиками для замены проводного последовательного соединения между двумя устройствами на беспроводное. Для организации соединения и выполнения передачи данных разработчику необходимо программно, с помощью команд интерфейса хост-контроллера реализовать верхние уровни стека протокола BlueTooth, к которым относят: L2CAP, RFCOMM, SDP, а также профиль взаимодействия по последовательному порту - SPP (Serial Port Profi le) и профиль обнаружения услуг SDP (Service Discovery Profi le). На этом и решила сыграть финская фирма, разработав вариант прошивки BlueTooth-модулей, представляющий законченную программную реализацию всего стека протокола BlueTooth (рис. 1), а также профилей SPP и SDP. Это решение дает возможность разработчику осуществлять управление модулем, устанавливать беспроводное последовательное соединение и выполнять передачу данных с помощью специальных символьных команд, точно так же, как это делается при работе с обычными модемами через стандартные AT-команды.

На первый взгляд, рассмотренное выше решение позволяет существенно сократить время интеграции технологии BlueTooth во вновь разрабатываемые изделия. Однако это накладывает определенные ограничения на использование возможностей технологии BlueTooth. В основном это сказывается на уменьшении максимальной пропускной способности и количестве одновременных асинхронных соединений, поддерживаемых BlueTooth-модулем.

В середине 2004 года на смену спецификации BlueTooth версии 1.1, которая была опубликована в 2001 году, принята спецификация BlueTooth версии 1.2. К основным отличиям спецификации 1.2 от 1.1 относят:

1. Реализация технологии адаптивной перестройки частоты канала (Adaptive Friquency hopping, AFH).
2. Усовершенствование голосового соединения.
3. Сокращение времени, затрачиваемого на установление соединения между двумя модулями BlueTooth.

Известно, что BlueTooth и Wi-Fi используют один и тот же нелицензирумый диапазон 2,4 ГГц. Следовательно, в тех случаях, когда BlueTooth-устройства находятся в зоне действия устройств Wi-Fi и осуществляют обмен данными между собой, это может привести к коллизиям и повлиять на работоспособность устройств. Технология AFH позволяет избежать появления коллизий: во время обмена информацией для борьбы с интерференцией технология BlueTooth использует скачкообразную перестройку частоты канала, при выборе которого не учитываются частотные каналы, на которых осуществляют обмен данными устройства Wi-Fi. На рис. 3 проиллюстрирован принцип действия технологии AFH.

Рис. 3. Принцип действия технологии AFH. а) коллизии б) уход от коллизий при помощи адаптивной перестройки частоты канала

Развитие технологии BlueTooth не стоит на месте. Консорциумом SIG разработана концепция развития технологии до 2008 года (рис. 4).

Рис. 4. Этапы развития технологии Bluetooth

В настоящее время на рынке работает большое количество фирм, предлагающих модули BlueTooth, а также компоненты для самостоятельной реализации аппаратной части BlueTooth-устройства. Практически все производители предлагают модули, поддерживающие спецификации BlueTooth версии 1.1 и 1.2 и соответствующие классу 2 (диапазон действия 10 м) и классу 1 (диапазон действия 100 м). Однако, несмотря на то, что версия 1.1 полностью совместима с 1.2, все рассмотренные выше усовершенствования, реализованные в версии 1.2, могут быть получены, только если оба устройства соответствуют версии 1.2.

В ноябре 2004 года была принята спецификация BlueTooth версии 2.0, поддерживающая технологию расширенной передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR). Спецификация 2.0 с поддержкой EDR позволяет осуществлять обмен данными на скорости до 3 Мбит/с. Первые серийно изготавливаемые образцы модулей, соответствующие версии 2.0 и поддерживающие технологию расширенной передачи данных EDR, были предложены производителями в конце 2005 года. Радиус действия таких модулей составляет 10 м при отсутствии прямой видимости, что соответствует классу 2, а при наличии прямой видимости он может достигать 30 м.

Как уже отмечалось ранее, основное назначение технологии BlueTooth - замена проводного последовательного соединения. При этом профиль SPP, используемый для организации соединения, конечно же, не единственный профиль, который разработчики могут использовать в своих изделиях. Технологией BlueTooth определены следующие профили: профиль общего доступа (Generic Access Profile), профиль обнаружения услуг (Service Discovery Profile), профиль взаимодействия с беспроводными телефонами (Cordless Telephony Profile), профиль интеркома (Intercom Profile), профиль беспроводных гарнитур для мобильных телефонов (Headset Profile), профиль удаленного доступа (Dial-up Networking Profile), профиль факсимильной связи (Fax Profile), профиль локальной сети (Lan Access Profile), профиль обмена данными (Generic Object Exchange), профиль передачи данных (Profile Object Push Profile), профиль обмена файлами (File Transfer Profile), профиль синхронизации (Synchronization Profile).

Технология беспроводной передачи данных Wi-Fi

С Wi-Fi сложилась несколько запутанная ситуация, поэтому для начала определимся с используемой терминологией.

Стандарт IEEE 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network - WLAN). Стандарт IEEE 802.11 постоянно совершенствовался, и в настоящее время существует целое семейство, к которому относят спецификации IEEE 802.11 с буквенными индексами a, b, c, d, e, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Однако только четыре из них (а, b, g и i) являются основными и пользуются наибольшей популярностью у производителей оборудования, остальные же (с-f, h-n) представляют собой дополнения, усовершенствования или исправления принятых спецификаций.

В свою очередь, Институт инженеров по электронике и электротехнике (IEEE) только разрабатывает и принимает спецификации, на вышеперечисленные стандарты. В его обязанности не входят работы по тестированию оборудования различных производителей на совместимость.

Для продвижения на рынке оборудования для беспроводных локальных сетей (WLAN) была создана группа, которая получила название Альянс Wi-Fi. Этот альянс осуществляет руководство работами по сертификации оборудования различных производителей и выдаче разрешения на использование членами Альянса Wi-Fi логотипа торговой марки Wi-Fi. Наличие на оборудовании логотипа Wi-Fi гарантирует надежную работу и совместимость оборудования при построении беспроводной локальной сети (WLAN) на оборудовании различных производителей. В настоящее время Wi-Fi-совместимым является оборудование, построенное по стандарту IEEE 802.11a, b и g (может также использовать стандарт IEEE 802.11i для обеспечения защищенного соединения). Кроме того, наличие на оборудовании логотипа Wi-Fi означает, что работа оборудования осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц. Следовательно, под Wi-Fi следует понимать совместимость оборудования различных производителей, предназначенного для построения беспроводных локальных сетей, с учетом изложенных выше ограничений.

Первоначальная спецификация стандарта IEEE 802.11, принятая в 1997 году, устанавливала передачу данных на скорости 1 и 2 Мбит/с в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц, а также способ управления доступом к физической среде (радиоканалу), который использует метод множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA). Метод CSMA-CA заключается в следующем. Для определения состояния канала (занят или свободен) используется алгоритм оценки уровня сигнала в канале, в соответствии с которым выполняется измерение мощности сигналов на входе приемника и качество сигнала. Если мощность принятых сигналов на входе приемника ниже порогового значения, то канал считается свободным, если же их мощность выше порогового значения, то канал считается занятым.

После принятия спецификации стандарта IEEE 802.11 несколько производителей представили на рынке свое оборудование. Однако оборудование стандарта IEEE 802.11 не получило широкого распространения вследствие того, что в спецификации стандарта не были однозначно определены правила взаимодействия уровней стека протокола. Поэтому каждый производитель представил свою версию реализации стандарта IEEE 802.11, не совместимую с остальными.

Для исправления сложившейся ситуации в 1999 году, IEEE принимает первое дополнение к спецификации стандарта IEEE 802.11 под названием IEEE 802.11b. Стандарт IEEE 802.11b стал первым стандартом построения беспроводных локальных сетей, получившим широкое распространение. Максимальная скорость передачи данных в нем составляет 11 Мбит/с. Такую скорость разработчикам стандарта удалось получить за счет использования метода кодирования последовательностью дополнительных кодов (Complementary Code Keying). Для управления доступом к радиоканалу используется тот же метод, что и в первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 - CSMA-CA. Приведенное выше значение максимальной скорости передачи данных, конечно же, является теоретическим значением, так как для доступа к радиоканалу используется метод CSMACA, не гарантирующий наличия свободного канала в любой момент времени. Поэтому на практике при передаче данных по протоколу TCP/IP максимальная пропускная способность составит около 5,9 Мбит/с, а при использовании протокола UDP - около 7,1 Мбит/с.

В случае ухудшения электромагнитной обстановки оборудование автоматически снижает скорость передачи в начале до 5,5 Мбит/с, затем до 2 Мбит/с, используя для этого метод адаптивного выбора скорости (Adaptive Rate Selection, ARS). Снижение скорости позволяет использовать более простые и менее избыточные методы кодирования, отчего передаваемые сигналы становятся менее подверженными затуханию и искажениям вследствие интерференции. Благодаря методу адаптивного выбора скорости оборудование стандарта IEEE 802.11b может осуществлять обмен данными в различной электромагнитной обстановке.

Следующим стандартом, пополнившим семейство стандарта IEEE 802.11, является стандарт IEEE 802.11a, спецификация которого была принята IEEE в 1999 году. Основное отличие спецификации стандарта IEEE 802.11a от первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 заключается в следующем:

• передача данных осуществляется в нелицензируемом диапазоне частот 5 ГГц;
• используется ортогональная частотная модуляция (OFDM);
• максимальная скорость передачи данных составляет 54 Мбит/с (реальная скорость - около 20 Мбит/с).

Так же, как в стандарте 802.11b, в 802.11a реализован метод выбора адаптивной скорости (ARS), снижающий скорость передачи данных в следующей последовательности: 48, 36, 24, 18, 12, 9 и 6 Мбит/с. Передача информации осуществляется по одному из 12 каналов, выделенных в диапазоне 5 ГГц.

Использование диапазона 5 ГГц при разработке спецификации 802.11a обусловлено прежде всего тем, что данный диапазон менее загружен, чем диапазон 2,4 ГГц, а следовательно, передаваемые в нем сигналы менее подвержены влиянию интерференции. Несомненно, данный факт является преимуществом, но в то же время использование диапазона 5 ГГц приводит к тому, что надежная работа оборудования стандарта IEEE 802.11a обеспечивается только на прямой видимости. Поэтому при построении беспроводной сети требуется установка большего количества точек доступа, что, в свою очередь, влияет на стоимость развертывания беспроводной сети. Кроме того, сигналы, передаваемые в диапазоне 5 ГГц, более подвержены поглощению (мощность излучения оборудования IEEE 802.11b и 802.11a одна и та же).

Первые образцы оборудования стандарта IEEE 802.11a были представлены на рынке в 2001 году. Следует отметить, что оборудование, поддерживающее только стандарт IEEE 802.11a, не пользовалось большим спросом на рынке по нескольким причинам. Во-первых, на тот момент оборудование стандарта IEEE 802.11b уже зарекомендовало себя на рынке, во вторых, все отмечали недостатки использования диапазона 5 ГГц и, в-третьих, оборудование стандарта IEEE 802.11a не совместимо с IEEE 802.11b. Однако впоследствии производители для продвижения IEEE 802.11a предложили устройства, поддерживающие оба стандарта, а также оборудование, позволяющее адаптироваться в сетях, построенных на оборудовании стандарта IEEE 802.11b, 802.11а, 802.11g.

В 2003 году была принята спецификация стандарта IEEE 802.11g, устанавливающая передачу данных в диапазоне 2,4 ГГц со скоростью 54 Мбит/с (реальная скорость составляет около 24,7 Мбит/с). Для управления доступом к радиоканалу используется тот же метод, что и в первоначальной спецификации стандарта IEEE 802.11 - CSMACA, а также ортогональная частотная модуляция (OFDM).

Оборудование стандарта IEEE 802.11g полностью совместимо с 802.11b, однако, из-за влияния интерференции, в большинстве случаев реальная скорость передачи данных 802.11g сопоставима со скоростью, обеспечиваемой оборудованием стандарта 802.11b. Поэтому единственным правильным решением для потенциальных пользователей беспроводных локальных сетей является покупка оборудования, поддерживающего сразу три стандарта: 802.11a, b и g.

Wi-Fi-совместимое оборудование у большинства разработчиков ассоциируется прежде всего с организацией точек доступа для выхода в Интернет и с абонентским оборудованием. Следует отметить, что и индустрия встроенных систем не обошла своим вниманием стандарты IEEE 802.11a, b и g. Уже сейчас на этом сегменте рынка есть предложения, позволяющие сделать любое устройство Wi-Fi-совместимым. Речь идет о ОЕМ-модулях стандарта IEEE 802.11b, в состав которых входят: приемопередатчик, процессор обработки приложений и исполнения ПО. Таким образом, эти модули представляют собой полностью законченное решение, позволяющее существенно сократить время и стоимость реализации Wi-Fi-совместимости разрабатываемого изделия. В основном ОЕМ-модули стандарта IEEE 802.11b интегрируются в изделия для удаленного мониторинга и управления через Интернет. Для подключения ОЕМ-модуля стандарта IEEE 802.11b к изделию используется последовательный интерфейс RS-232, а управление модулем выполняется AT-командами. Максимальное расстояние между OEM модулем стандарта IEEE 802.11b и точкой доступа при использовании специальной выносной антенны может составлять до 500 м. В помещения максимальное расстояние не превышает 100 м, а при наличии прямой видимости увеличивается до 300 м. Существенным недостатком таких ОЕМ-модулей является их высокая стоимость.

В таблице 1 приведены основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g.

Таблица 1. Основные технические характеристики стандартов IEEE 802.11a, b и g

Технология беспроводной передачи данных ZigBee

Технология беспроводной передачи данных ZigBee была представлена на рынке уже после появления технологий беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi. Появление технологии ZigBee обусловлено, прежде всего, тем, что для некоторых приложений (например, для удаленного управления освещением или гаражными воротами, либо считывания информации с датчиков) основными критериями при выборе технологии беспроводной передачи является малое энергопотребление аппаратной части и ее низкая стоимость. Из этого следует малая пропускная способность, так как в большинстве случаев электропитание датчиков осуществляется от встроенной батареи, время работы от которой должно превышать несколько месяцев и даже лет. Иначе ежемесячная замена батареи для датчика открывания-закрывания гаражных ворот кардинально изменит отношение пользователя к беспроводным технологиям. Существующие на тот момент времени технологии беспроводной передачи данных BlueTooth и Wi-Fi не соответствовали этим критериям, обеспечивая передачу данных на высоких скоростях, с высоким уровнем энергопотребления и стоимости аппаратной части. В 2001 году рабочей группой № 4 IEEE 802.15 были начаты работы по созданию нового стандарта, который бы соответствовал следующим требованиям:

• очень малое энергопотребление аппаратной части, реализующей технологию беспроводной передачи данных (время работы от батареи должно составлять от нескольких месяцев до нескольких лет);
• передача информации должна осуществляться на не высокой скорости;
• низкая стоимость аппаратной части.

Результатом стала разработка стандарта IEEE 802.15.4. Во многих публикациях под стандартом IEEE 802.15.4 понимают технологию ZigBee и наоборот под ZigBee - стандарт IEEE 802.15.4. Однако это не так. На рис. 5 приведена модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя.

Рис. 5. Модель взаимодействия стандарта IEEE 802.15.4, технологии беспроводной передачи данных ZigBee и конечного пользователя

Стандарт IEEE 802.15.4 определяет взаимодействие только двух низших уровней модели взаимодействия: физического уровня (PHY) и уровня управления доступом к радиоканалу для трех нелицензируемых диапазонов частот: 2,4 ГГц, 868 МГц и 915 МГц. В таблице 2 приведены основные характеристики оборудования, функционирующего в этих диапазонах частот.

Таблица 2. Основные характеристики оборудования

Уровень MAC отвечает за управление доступом к радиоканалу с использованием метода множественного доступа с опознаванием несущей и устранением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA), а также за управление подключением и отключением от сети передачи данных и обеспечение защиты передаваемой информации симметричным ключом (AES-128).

В свою очередь, технология беспроводной передачи данных ZigBee, предложенная альянсом ZigBee, определяет остальные уровни модели взаимодействия, к которым относят сетевой уровень, уровень безопасности, уровень структуры приложения и уровень профиля приложения. Сетевой уровень, технологии беспроводной передачи данных ZigBee, отвечает за обнаружение устройств и конфигурацию сети и поддерживает три варианта топологии сети, приведенные на рис. 6.

Рис. 6. Три варианта топологии сети

Для обеспечения низкой стоимости интеграции технологии беспроводной передачи ZigBee в различные приложения физическая реализация аппаратной части стандарта IEEE 802.15.4 выполняется в двух исполнениях: устройства с ограниченным набором функции (RFD) и полностью функциональные устройства (FFD). При реализации одной из топологий сети, приведенной на рис. 6, требуется наличие, по крайней мере, одного FFD-устройства, выполняющего роль сетевого координатора. В таблице 3 приведен перечень функций, выполняемых устройствами FFD и RFD.

Таблица 3. Перечень функций, выполняемых устройствами FFD и RFD

Низкая стоимость аппаратной части RFD-устройств обеспечивается за счет ограничения набора функций при организации взаимодействия с сетевым координатором или FFD-устройством. Это в свою очередь, отражается на неполной реализации модели взаимодействия, приведенной на рис. 5, а также предъявляет минимальные требования к ресурсам памяти.

Кроме деления устройств на RFD и FFD, альянсом ZigBee определены три типа логических устройств: ZigBee-координатор (согласующее устройство), ZigBee-маршрутизатор и оконечное устройство ZigBee. Координатор осуществляет инициализацию сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети. ZigBee-маршрутизатор отвечает за маршрутизацию сообщений, передаваемых по сети от одного узла к другому. Под оконечным устройством понимают любое оконечное устройство, подсоединенное к сети. Рассмотренные выше устройства RFD и FFD как раз и являются оконечными устройствами. Тип логического устройства при построении сети определяет конечный пользователь посредством выбора определенного профиля (рис. 5), предложенного альянсом ZigBee. При построении сети с топологией «каждый с каждым» передача сообщений от одного узла сети к другому может осуществляться по разным маршрутам, что позволяет строить распределенные сети (объединяющие несколько небольших сетей в одну большую - кластерное дерево) с установкой одного узла от другого на достаточно большом расстоянии и обеспечить надежную доставку сообщений.

Трафик, передаваемый по сети ZigBee, как правило, разделяют на периодический, прерывистый и повторяющийся (характеризующийся небольшим временным интервалом между посылками информационных сообщений).

Периодический трафик характерен для приложений, в которых необходимо дистанционно получать информацию, например от беспроводных сенсорных датчиков или счетчиков. В таких приложениях получение информации от датчиков или счетчиков осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось ранее, любое оконечное устройство, в качестве которого в данном примере выступает беспроводной датчик, подавляющую часть времени работы должно находится в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым очень низкое энергопотребление. Для передачи информации оконечное устройство в определенные моменты времени выходит из режима «засыпания» и выполняет поиск в радиоэфире специального сигнала (маяка), передаваемого устройством управления сетью (ZigBee-координатором или ZigBee-маршрутизатором), к которой подсоединен беспроводной счетчик. При наличии в радиоэфире специального сигнала (маяка) оконечное устройство осуществляет передачу информации устройству управления сетью и сразу же переходит в режим «засыпания» до следующего сеанса связи.

Прерывистый трафик свойственен, например, для устройств дистанционного управления освещением. Представим ситуацию, когда необходимо при срабатывании датчика движения, установленного у входной двери, передать команду на включение освещения в прихожей. Передача команды в данном случае осуществляется следующим образом. При получении устройством управления сетью сигнала о срабатывании датчика движения оно выдает команду оконечному устройству (беспроводному выключателю) подключиться к беспроводной сети ZigBee. Затем устанавливается соединение с оконечным устройством (беспроводным выключателем) и выполняется передача информационного сообщения, содержащего команду на включение освещения. После приема команды соединение разрывается и выполняется отключение беспроводного выключателя от сети ZigBee.

Подключение и отключение оконечного устройства к сети ZigBee только в необходимые для этого моменты позволяет существенно увеличить время пребывания оконечного устройства в режиме «засыпания», обеспечивая тем самым минимальное энергопотребление. Метод использования специального сигнала (маяка) является гораздо более энергоемким.

В некоторых приложениях, например охранных системах, передача информации о срабатывании датчиков должна осуществляться практически мгновенно и без задержек. Но надо учитывать тот факт, что в определенный момент времени могут «сработать» сразу несколько датчиков, генерируя в сети так называемый повторяющийся трафик. Вероятность данного события невелика, но не учитывать его в охранных системах недопустимо. В беспроводной сети ZigBee для сообщений, передаваемых в беспроводную сеть при срабатывании сразу нескольких охранных датчиков (оконечных устройств), предусмотрена передача данных от каждого датчика в специально выделенном временном слоте. В технологии ZigBee специально выделяемый временной слот называют гарантированным временным слотом (Guaranteed Time Slot, GTS). Наличие в технологии ZigBee возможности предоставлять гарантированный временной слот для передачи неотложных сообщений позволяет говорить о реализации в ZigBee метода QoS (качество обслуживания). Выделение гарантированного временного слота для передачи неотложных сообщений осуществляется сетевым координатором (рис. 6, PAN Coordinator).

При разработке аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee, реализующей модель взаимодействия, практически все производители придерживаются концепции, в соответствии с которой вся аппаратная часть размещается на одном чипе. На рис. 7 приведена концепция исполнения аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee.

Рис. 7. Концепция исполнения аппаратной части технологии беспроводной передачи данных ZigBee

Для построения беспроводной сети (например, сеть с топологией «звезда») на основе технологии ZigBee разработчику необходимо приобрести по крайней мере один сетевой координатор и необходимое количество оконечных устройств. При планировании сети следует учитывать, что максимальное количество активных оконечных устройств, подсоединенных к сетевому координатору, не должно превышать 240. Кроме того, необходимо приобрести у производителя ZigBee-чипов программные средства для разработки, конфигурирования сети и создания пользовательских приложений и профилей. Практически все производители ZigBee-чипов предлагают на рынке целую линейку продукции, отличающейся, как правило, только объемом памяти ROM и RAM. Например, чип со 128 Кбайт ROM и 8 Кбайт RAM может быть запрограммирован на работу в качестве координатора, маршрутизатора и оконечного устройства.

Высокая стоимость отладочного комплекта, в состав которого входит набор программных и аппаратных средств для построения беспроводных сетей ZigBee любой сложности, является одним из сдерживающих факторов массового распространения технологии ZigBee на рынке России. Необходимо отметить, что появление технологии беспроводной передачи ZigBee стало определенным ответом на потребности рынка создания интеллектуальных систем управления частными домами и строениями, спрос на которые с каждым годом увеличивается. Уже в ближайшем будущем частные дома и строения будут оснащены огромным количеством беспроводных сетевых узлов, осуществляющих мониторинг и управление системами жизнеобеспечения дома. Инсталляция данных систем может быть произведена в любое время и за короткие сроки, так как не требует разводки в здании кабелей.

Перечислим приложения, в которые может быть интегрирована технология ZigBee:

• Системы автоматизации жизнеобеспечения домов и строений (удаленное управление сетевыми розетками, выключателями, реостатами и т. д.).
• Системы управления бытовой электроникой.
• Системы автоматического снятия показаний с различных счетчиков (газа, воды, электричества и т. д.).
• Системы безопасности (датчики задымления, датчики доступа и охраны, датчики утечки газа, воды, датчики движения и т. д.).
• Системы мониторинга окружающей среды (датчики температуры, давления, влажности, вибрации и т. д.).
• Системы промышленной автоматизации.

Заключение

Приведенный в статье краткий обзор технологий беспроводной передачи данных BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee показывает, что даже для имеющих опыт разработчиков бывает затруднительно однозначно отдать предпочтение той или иной технологии только на основании технической документации.

Поэтому подход к выбору должен основываться на комплексном анализе нескольких параметров. Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee приведены в таблице 4. Эта информация поможет принять правильное решение при выборе технологии беспроводной передачи данных.

Таблица 4. Сравнительные характеристики технологий BlueTooth, Wi-Fi и ZigBee

Литература

1. В.А. Григорьев, О.И. Лагутенко, Ю.А. Распаев. «Системы и сети радиодоступа», М.,:ЭкоТрендз, 2005 г.
2. www.ieee.com
3. www.chipcon.com
4. www.ember.com
5. www.BlueTooth.org

Развитие стандартов и систем передачи данных идет по двум основным направлениям:

• - увеличение пропускной способности каналов связи;
• - радиус (дальность) действия СПД.

Существуют следующие способы беспроводной передачи информации между мобильными устройствами:

• - по инфракрасному каналу (Протокол IrDA (Infrared Data Assotiation));
• - по радиоканалу (Протоколы: Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, ZigBee, Wireless USB, GPRS, EDGE, WCDMA),
• - соединение с помощью микроволнового канала (радиорелейная и спутниковая передача данных).

В настоящее время передача по инфракрасному каналу практически прекратила использоваться вследствие недостаточной степень мобильности и проблем преодоления препятствий; радиорелейные и спутниковые системы служат для организации магистральных каналов связи, поэтому для создания систем управления и информационной поддержки небольших предприятий с распределенной инфраструктурой имеет смысл использовать технологии беспроводной радиосвязи.

С точки зрения радиуса (дальности) действия, все беспроводные сети передачи данных делятся на:

• 1. беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area Network, WPAN), которые работают с протоколами Bluetooth, WirelessUSB, ZigBee;
• 2. беспроводные локальные сети (Wireless Local Area Network, WLAN), используют Wi-Fi;
• 3. беспроводные сети масштаба города (Wireless Metropolitan Area Network, Wireless MAN), или сети широкополосного беспроводного доступа (Broadband Wireless Access, BWA), в настоящее время работают на WiMAX;
• 4. беспроводные глобальные сети (Wireless Wide Area Network, WWAN), это сети беспроводной передачи данных на базе радиорелейных, сотовых и спутниковых технологий.

Соотношение между радиусом действия и скоростью передачи данных для разных протоколов представлено на рисунке 14 .

Рис. 14.

В то же время можно выделить следующие основные разновидности беспроводных сетей связи, используемых для обслуживания мобильных абонентов:

• - персональные сети;
• - временно создаваемые сети произвольной структуры;
• - локальные сети беспроводного доступа;
• - беспроводные наземные радиорелейные магистрали;
• - сотовые сети;
• - глобальные спутниковые сети;
• - гибридные гетерогенные сети разной конфигурации.

Беспроводные персональные сети (Wireless Personal Area

Network, WPAN) имеют малый радиус действия (до 10-15 м), обычно реализуют связи внутри помещений, а также взаимодействие компонентов аппаратных устройств.

Самой первой технологией передачи данных в пределах персональной зоны является IrDA - технология передачи данных в инфракрасном диапазоне, стандарт IrDA был разработан еще в 1993 году. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии в режиме точка-точка. Стандарт не предусматривает создание локальной сети на основе ИК-излучения, поскольку сетевые интерфейсы сложны и требуют большой мощности, а здесь целью являлось низкое потребление и экономичность. Интерфейс использует узкий ИК-диапазон с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру. К основным недостаткам беспроводного обмена информацией по инфракрасным каналам относятся недостаточная степень мобильности и проблема препятствий .

Более современной реализацией WPAN является протокол Bluetooth. Для установления беспроводного соединения по протоколу Bluetooth прямая видимость между устройствами не требуется, в отличие от инфракрасной связи.

Технология Bluetooth (стандарт IEEE 802.15) позволяет осуществлять передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие расстояния (10-100 м) в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц и соединять ПК, мобильные телефоны и другие устройства при отсутствии прямой видимости.

Технология Bluetooth поддерживает как соединения типа «точка-точка», так и «точка-много точек». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slave). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet).

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рисунок 15) .

Рис. 15. Пикосеть с подчиненными устройствами: а) с одним подчиненным устройством; б) с несколькими; в) распределенная сеть

Технология Bluetooth предназначена для устранения кабельных соединений между компьютерами, периферийными устройствами и другими электронными устройствами. Также технология позволяет устройствам связываться, как только они появляются в зоне действия друг друга, причем устройства не требуют настройки, - они всегда включены и работают в фоновом режиме. В отличие от IrDA, устройства Bluetooth могут работать сквозь препятствия, не требуя прямой видимости. Недостатком технологии является узкая полоса пропускания радиоканалов, что не позволяет обеспечить большую скорость передачи данных.

ZigBee - WPAN технология, работающая на стандарте IEEE 802.15.4. Данная технология была разработана с целью обеспечения более дешевого и менее энергоемкого решения по сравнению с другими WPAN-технологиями, в частности с Bluetooth. Протокол ZigBee предназначен для использования в системах сбора данных и управления. Он обладает малым энергопотреблением, надежностью передачи данных и защиты информации.

ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд. Так как

ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.

За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с.

Особенность ZigBee заключается в том, что она предназначена для реализации не только простых соединений "точка-точка" и "звезда", но и сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть", способных поддерживать ретрансляцию и поиск эффективного маршрута передачи данных. Сети ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися.

Преимуществами технологии является то, что хотя ZigBee- оборудование не может обеспечить передачу данных на расстояние свыше 70-80 метров, оно может использовать в качестве туннеля для трафика каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, если они находятся в зоне видимости. Что касается энергопотребления, то, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee- оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет.

Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки.

Низкая пропускная способность и маленький радиус действия не позволяют применять сети ZigBee для трансляции мультимедийной информации или для связи между собой удаленных объектов.

Стандарт ШЕЕ 802.11 является базовым стандартом для построения беспроводных локальных сетей (Wireless Local Network - WLAN). Стандарт IEEE 802.11 имеет ряд спецификаций с буквенными индексами a, b, с, d, е, g, h, i, j, k, 1, m, n, o, p, q, r, s, u, v, w. Термин WiFi был введен организацией Wi-Fi Alliance для обозначения продуктов серии стандарта 802.11b, однако сегодня он применяется к любому стандарту из семейства 802.11. Для передачи данных стандарты 802.11 используют безлицензионные частотные диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц. Связь обеспечивается в радиусе 100-300 метров от стандартной точки доступа на открытой местности. На сегодняшний день основными стандартами являются 802.11а, 802.11b и 802.1 lg и недавно сертифицированный 802.1 In. Стандарт 802.1 In разработан для беспроводных сетей со скоростью передачи данных до 600 Мбит/с.

К преимуществам 802.1 In можно отнести:

• - повышение пропускной способности беспроводных сетей WiFi до десяти раз, особенно в диапазоне 5 ГГц;
• - повышение нагрузочной способности;
• - расширение зоны уверенного приема за счет более эффективной антенной системы;
• - возможность поэтапной модернизации существующих беспроводных сетей до уровня 802.1 In с одновременной работой устройств 802.11 a/b/g/n на переходном этапе.

Недостатки 802.1 In:

• - исключительно широкополосный сигнал потенциально может создать помехи работе других беспроводных устройств - особенно в перегруженном диапазоне 2,4 ГГц;
• - усложнение антенных систем приводит к увеличению габаритов устройств;
• - увеличение числа передатчиков приведет к уменьшению времени работы от батарей портативных устройств;
• - существенное увеличение производительности беспроводных сетей доступно только в диапазоне 5 ГГц.

Во всех стандартах 802.11 предусмотрено три вида организации беспроводных сетей (рисунок 16) :

• - режим Peer-to-Peer ("точка-точка") или режим IBSS (Independent Basic Service Set);
• - режим Access Point (точка доступа) или режим BSS (Basic Service Set);
• - режим ESS (Extended Service Set), объединяет сети BSS.

Развитие протоколов Wi-Fi идет по нескольким направлениям. В

ближайшее время не только будет увеличена пропускная способность (стандарт 802.1 In), но и усовершенствованы протоколы, определяющие механизмы реализации качества (Quality of Service, QoS), повышенную безопасность и т.п.

Городские радиосети до недавнего времени стандарта не имели, и каждый производитель предлагал свою технологию передачи данных. В настоящее время, основанная на стандарте IEEE 802.16-2004 технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), начинает играть ключевую роль в создании сетей Wireless MAN. На базе WiMAX возможна реализация альтернативного беспроводного решения проблемы «последней мили» для широкополосного подключения к Интернету.

Начальный вариант стандарта 802.16 работал в полосе частот 10-66 ГГц и обеспечивал соединение только в пределах прямой видимости. Расширение стандарта 802.16а работает на более низких частотах 2-11 ГГц, дальность действия до 50 км, расширенные возможности работы вне прямой видимости позволяют улучшить качество покрытия обслуживаемой зоны, максимальная скорость передачи данных на сектор базовой станции: до 70 Мбит/с.

Рис. 16.

Поскольку WiMAX используются в качестве стандарта беспроводного широкополосного доступа (Broadband Wireless Access, BWA), то технологию WiMAX также обозначают как BWA 802.16.

На данный момент актуальным является разработка возможности организации роуминга между разными базовыми станциями

• 802.16, чтобы сделать эту связь аналогом мобильной. Есть уже и специальная группа 802.16е, занимающаяся организацией роуминга между различными сетями, чтобы устройство могло переходить из беспроводной сети 802.1 lb в сеть 802.16 или даже из проводной сети 802.11 в
• 802.16.

Место технологии WiMAX в общей структуре сетей передачи данных хорошо иллюстрирует рисунок 17 .

Рис. 17.

Стандарты сотовой связи, относящейся к WWAN, принято делить на поколения: 1G, 2G 3G и т.д. Стандарты первого поколения (1G) были аналоговыми, и первый революционный скачок был совершен при переходе на цифровые стандарты второго поколения, среди которых следует выделить два главных направления - TDMA и CDMA.

Говоря о втором поколении, прежде всего следует сказать о GSM (Global Standard for Mobile Communications) - глобальном стандарте для мобильной сотовой связи с разделением канала по принципу TDMA (Time Division Multiple Access), подразумевающему множественный доступ с разделением по времени. При этом способе использования радиочастот в одном частотном слоте находится несколько абонентов, а разные абоненты применяют разные временные слоты для передачи. Одним из основных недостатков таких сетей является низкая скорость передачи (9600 бит/с).

Возможности мобильного доступа в Интернет были значительно расширены с переходом на использование технологии GPRS (General Packet Radio Service - пакетная передача данных по радиосетям). Средняя скорость передачи данных при использовании GPRS примерно 48 кбит/с. GPRS подходит для приложений, основанных на протоколе (Wireless Application Protocol -WAP).

Разветвившись на этапе второго поколения, технологии сотовой связи пришли к единому протоколу WCDMA - стандарту третьего поколения, лежащего в основе сетей UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).

UMTS способна предоставить скорость передачи данных 2 Мбит/с, но это возможно только для неподвижного пользователя. Пешеходы могут обмениваться данными со скоростью 384 Кбит/с, а пользователи, находящиеся в движущемся транспорте, - 144 Кбит/с.

Главным отличием WCDMA от GSM является то, что стандарт использует широкие диапазоны частот, в которых передается шумоподобный код, содержащий данные для всех абонентов.

4.3 Разработка структурной схемы интеллектуальной системы удаленного (беспроводного) мониторинга и управления опытным образцом зернохранилища с горизонтальными силосами инновационного типа

Структурная схема интеллектуальной удаленной (беспроводной) системы мониторинга и управления технологическим процессом хранения зерна в зернохранилище с горизонтальными силосами инновационного типа представлена на рисунке 18. Измерительные датчики Sensor 1 - Sensor N производят сбор информации о состоянии технологического процесса и технологического оборудования. Данные с датчиков, поступающие по аналоговым и цифровым интерфейсам в зависимости от типа первичного преобразователя, анализируются программируемым логическим контролером ПЛК160 (PLC) производства компании ОВЕН. Данный тип контроллера выбран исходя из соображений требуемой вычислительной мощности, наличия достаточного количества и типов интерфейсов, а так же надежности и эксплуатационных характеристик.

На основании анализа данных с датчиков по разработанному алгоритму ПЛК вырабатывает сигналы регулирования и управления на исполнительные устройства Device 1 - Device N для поддержания технологического процесса в пределах установленных норм и реагирования на обнаруженные системой диагностики критические (аварийные) состояния технологического оборудования.

Для удаленного контроля над зернохранилищем в системе используется архитектура сети передачи данных с доступом в интернет по стандарту 3G. Данный стандарт выбран из-за наиболее развитой сети покрытия как в Северо-Казахстанской области, так и Казахстане в целом.

Управление сетью передачи данных реализовано на маршрутизаторе tp-link wrl043nd с предустановленным дистрибутивом OpenWRT на ядре GNU/Linux. Это позволяет создать систему для решения конкретной задачи по мониторингу и управлению зернохранилищем.

Puc. 18. Структурная схема интеллектуальной системы удаленного мониторинга и управления процессом хранения зерна в зернохранилище с горизонтальными силосами инновационного типа

В частности в системе реализовано видеонаблюдение за объектом при помощи IP-камер Motion detection/IP cam 1 - IP cam N. Для этого в составе OpenWRT использовано ПО Motion - мощная бесплатная программа для обнаружения движения по камере. Данное ПО позволяет отслеживать движение в кадре и при его обнаружении включать запись на сетевое хранилище Data Base или производить посылку снимков обнаруженного объекта через интернет.

Доступ к PLC организован через протокол Modbus - открытого коммуникационного протокола, основанного на архитектуре ведущий- ведомый (master-slave). Используется для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232. Способ реализации протокола Modbus-RTU выполнен при помощи shell-скрипта и обвязки в виде j s-кода.

Так же посредством сети Ethernet и Web-камер Photogrammetry/lP cam 1 - IP cam N реализована система бесконтактных измерений на основе фотограмметрических методов.

Текущие данные контроля через дискретные промежутки времени передаются на удаленный сервер в сети интернет, где аккумулируются в базе данных и доступны для просмотра и мониторинга пользователем. В случае возникновения критической ситуации (нарушение производственного процесса, срабатывание охранной сигнализации и т.д.) данные по тревоге доставляются пользователю в виде push- уведомлений.

Находясь непосредственно вблизи объекта, пользователь User получает доступ к накопленным данным и системам управления зернохранилищем через беспроводное соединение по Wi-Fi. Для этого на базе ядра OpenWRT развернут веб сервер Lighttpd и РНР5 с базами данных SQLite3.

Для сохранения конфиденциальности данных и предотвращения несанкционированного доступа в сети Wi-Fi необходимо использовать современный алгоритм шифрования AES/CCMP - алгоритм, основанный на AES256 с дополнительными проверками и защитой. Кроме того при работе с Internet предусмотрено использование протокола HTTPS - расширение протокола HTTP, поддерживающее шифрование. Данные «упаковываются» в криптографический протокол SSL или TLS.

Удаленный сервер, находящийся на хостинге в сети интернет, контролирует прием данных через строго определенные промежутки времени и если через указанный промежуток времени данные не поступают, сервер генерирует тревожное push-уведомление для клиента. Таким образом, обеспечивается контроль за исправностью системы безопасности, и электроснабжения объекта.

Выводы по четвертому разделу:

• 1. Основываясь на проведенном обзоре, мы пришли к выводу о целесообразности применения беспроводных технологий при разработке и внедрении интеллектуальных систем удаленного мониторинга и управления на предприятиях АПК и, в частности, для совершенствования технологии хранения зерна в зернохранилищах с горизонтальными силосами инновационного типа.
• 2. В ходе проведения исследований разработана структурная схема интеллектуальной системы удаленного мониторинга и управления процессом хранения зерна в зернохранилище с горизонтальными силосами инновационного типа. Описание структурной схемы содержит конкретные технические решения и рекомендации по применению беспроводных технологий. Определены функциональные задачи основных узлов интеллектуальной системы.

Электроника лежит в основе практически всей коммуникации. Все началось с изобретения телеграфа в 1845 году, за ним в 1876 году последовал телефон. Связь постоянно совершенствовалась, а прогресс в электронике, который произошел совсем недавно, заложил новый этап в развитие коммуникаций. Сегодня беспроводная связь вышла на новый уровень и уверенно заняла доминирующую часть рынка связи. И ожидается новый рост сектора беспроводной коммуникации благодаря развивающейся сотовой инфраструктуре, а также современным технологиям, таким как . В данной статье мы рассмотрим наиболее перспективные технологии на ближайшее время.

Состояние 4G

4G в переводе с английского означает долговременную эволюцию (Long Term Evolution (LTE). LTE – это технология OFDM, которая на сегодняшний день является доминирующей структурой сотовой системы связи. Системы 2G и 3G все еще существуют, хотя внедрение 4G началась в 2011 – 2012 годах. Сегодня LTE в основном реализуется крупнейшими операторами в США, Азии и Европе. Его развертывание еще не завершено. LTE получила огромную популярность у владельцев смартфонов, так как высокая скорость передачи данных открыла такие возможности, как потоковая передача видео для эффективного просмотра фильмов. Тем не менее, все не так идеально.

Хотя LTE обещал скорость загрузки до 100 Мбит / с, это не было достигнуто на практике. Скорости до 40 или 50 Мбит / с могут быть достигнуты, но только при особых условиях. При минимальном количестве подключений и минимальном траффике такие скорости очень редко могут достигаться. Наиболее вероятные скорости передачи данных находятся в диапазонах 10 – 15 Мбит / с. В пиковые часы скорость проседает до нескольких Мбит / с. Конечно, это не делает реализацию 4G провальной затеей, это означает, что пока его потенциал реализован не полностью.

Одной из причин, почему 4G не обеспечивает заявленную скорость – слишком большое количество потребителей. При слишком интенсивном его использовании скорость передачи данных существенно снижается.

Однако, существует надежда, что это удастся исправить. Большинство операторов, предоставляющих услуги 4G, еще не реализовали технологию LTE-Advanced, усовершенствование, которое обещает повысить скорость передачи информации. LTE-Advanced использует «объединение несущих» (carrier aggregation (CA)) для увеличения скорости. «Объединение несущих» подразумевает объединение стандартной полосы пропускания LTE до 20 МГц в 40 МГц, 80 МГц или 100 МГц части, для повышения пропускной способности. LTE-Advanced также имеет конфигурацию MIMO 8 x 8. Поддержка этой функции открывает потенциал для увеличения скорости обмена данными до 1 Гбит/с.

LTE-CA известно еще как LTE-Advanced Pro или 4.5G LTE. Эти сочетания технологий определенны группой разработки стандартов 3GPP в версии 13. Она включает в себя агрегацию операторов, а также лицензионный доступ с поддержкой (LAA), метод, который использует LTE в нелицензированном Wi-Fi-спектре 5 ГГц. Он также развертывает агрегацию каналов LTE-Wi-Fi (LWA) и двойное подключение, позволяя смартфону «разговаривать» одновременно с узлом небольшой точки доступа, и точкой доступа Wi-Fi. В данной реализации слишком много деталей, которые мы не будем рассматривать, но общая цель — продлить срок службы LTE за счет снижения задержки и увеличения скорости передачи данных до 1 Гбит / с.

Но это не все. LTE сможет обеспечить более высокую производительность, так как операторы начинают упрощать свою стратегию небольшими ячейками, обеспечивая более высокую скорость передачи данных для большего числа абонентов. Маленькие ячейки — это просто миниатюрные сотовые базовые станции, которые могут быть установлены где угодно для заполнения пробелов охвата макроячейки, добавляя, где это необходимо, производительность.

Еще одним способом повышения производительности является использование Wi-Fi. Этот метод обеспечивает быструю загрузку в ближайшую точку доступа Wi-Fi, когда она доступна. Лишь несколько операторов сделали это доступным, но большинство из них рассматривают усовершенствование LTE под названием LTE-U (U для нелицензионного (unlicensed)). Это метод, аналогичный LAA, который использует нелицензированный диапазон 5 ГГц для быстрой загрузки, когда сеть не может справиться с нагрузкой. Это создает конфликт спектра с последней , которая использует диапазон 5 ГГц. Для реализации этого были разработаны определенные компромиссы.

Как мы видим, потенциал 4G все еще не раскрыт до конца. В ближайшие годы будут внедрены все или большинство из перечисленных усовершенствований. Стоит отметить и то, что производители смартфонов также внесут изменение в аппаратное или программное обеспечения для усовершенствования работы LTE. Данные улучшение, скорее всего, произойдут тогда, когда начнется массовое внедрение стандарта 5G.

Открытие 5G

Как такового 5G пока нет. Так, что громкие заявление об «абсолютно новом стандарте способном изменить подход к беспроводной передаче информации» пока рано. Хотя, некоторые поставщики интернет услуг уже начинают споры, кто же первым внедрит стандарт 5G. Но стоит вспомнить спор недавних лет о 4G. Ведь реального 4G (LTE-A) еще нет. Тем не менее, работа над 5G идет полным ходом.

«Проект партнерства третьего поколения» (3GPP) работает над стандартом 5G, который, как ожидается, будет внедрен в ближайшие годы. Международный союз электросвязи (ITU), который будет «благословлять» и администрировать стандарт, заявляет, что окончательно 5G должен стать доступен к 2020 году. Тем не менее, некоторые ранние версии стандарта 5G все же будут появляться в конкурентной борьбе провайдеров. Некоторые требования 5G появятся уже в 2017 – 2018 годах в той или иной формах. Полное внедрение 5G будет задачей далеко не из легких. Такая система будет одной из самых сложных, если не самой сложной, из беспроводных сетей. Полное ее развертывание ожидается к 2022 году.

Основанием внедрения 5G является преодоление ограничений 4G и добавление возможностей для новых приложений. Ограничения 4G — это в основном пропускная способность абонента и ограниченные скорости передачи данных. Сети сотовой связи уже перешли от голосовых технологий к центрам данных, но необходимы дальнейшие улучшения производительности в будущем.

Более того, ожидается бум новых приложений. К ним относят видео HD 4K, виртуальную реальность, интернет вещей (IoT), а также использование структуры «машина-машина» (М2М). Многие по-прежнему прогнозируют от 20 до 50 миллиардов устройств онлайн, многие из которых будут подключаться к сети интернет через сотовую связь. В то время, как большинство устройств IoT и M2M работают на низких скоростях передачи данных, то для работы с потоковыми данными (видео) необходима высокая скорость интернет. Другими потенциальными приложениями, которые будут использовать стандарт 5G, могут стать умные города и средства связи для обеспечения безопасности автомобильного транспорта.

5G, вероятно, будет более революционным, чем эволюционным. Это будет связано с созданием новой сетевой архитектуры, которая будет накладываться на сеть 4G. Новая сеть будет использовать распределенные мелкие ячейки с волоконным или миллиметровым обратным каналом, а также будет экономной, энергонезависимой и легко масштабируемой. Кроме того, в сетях 5G будет больше программного, чем аппаратного обеспечения. Также будет использоваться программная сеть (SDN), виртуализацию сетевых функций (NFV), методы самоорганизующейся сети (SON).

Также имеется еще несколько ключевых особенностей:

• Использование миллиметровых волн. В первых версиях 5G могут использоваться полосы в 3,5 ГГц и 5 ГГц. Также рассматриваются варианты частот от 14 ГГц до 79 ГГц. Окончательный вариант пока выбран не был, однако FCC заявляет, что выбор буден сделан в ближайшее время. Тестирование ведется на частотах 24, 28, 37 и 73 ГГц.
• Рассматриваются новые схемы модуляции. Большинство из них – это некоторые вариант OFDM. Две или более схем могут быть определены в стандарте для различных приложений.
• Несколько входов с несколькими выходами (MIMO) будут включены в некоторую форму для расширения диапазона, скорости передачи данных и надежности связи.
• Антенны будут иметь фазированные решетки с адаптивным формированием луча и управлением.
• Более низкая латентность — главная цель. Менее 5 мс задано, но менее 1 мс является целью.
• Скорости передачи данных от 1 Гбит / с до 10 Гбит / с ожидаются в полосах пропускания 500 МГц или 1 ГГц.
• Микросхемы будут изготавливаться из арсенида галлия, кремния-германия и некоторых КМОП.

Одной из самых больших проблем во внедрении 5G ожидается интеграция данного стандарта в мобильные телефоны. В современных смартфонах и так полным-полно различных передатчиков и приемников, а с 5G они станут еще сложнее. Нужна ли такая интеграция?

Путь развития Wi-Fi

Наряду с сотовой связью находится одна из наиболее популярных беспроводных сетей – Wi-Fi. Как и , Wi-Fi является одной из наших любимых «утилит». Мы рассчитываем на подключение к сети Wi-Fi практически в любом месте, и в большинстве случаев мы получаем доступ. Как и большинство популярных беспроводных технологий, он постоянно находится в стадии разработки. Последняя выпущенная версия называется 802.11ac и обеспечивает скорость до 1,3 Гбит / с в нелицензированной полосе частот 5 ГГц. Также идет поиск приложений для стандарта 802.11ad со сверхвысокой частотой 60 ГГц (57-64 ГГц). Это проверенная и экономически эффективная технология, но кому нужны скорости от 3 до 7 Гбит / с на расстоянии до 10 метров?

На данный момент существует несколько проектов развития стандарта 802.11. Вот несколько из основных:

• 11af — это версия Wi-Fi в белых полосах телевизионного диапазона (54 до 695 МГц). Данные передаются в локальных полосах пропускания 6- (или 8) МГц, которые не заняты. Возможна скорость передачи данных до 26 Мбит/с. Иногда его называют White-Fi, а главная привлекательность 11af заключается в том, что возможный радиус действия на низких частотах составляет много километров и отсутствие прямой видимости (NLOS) (работа только на открытых площадях). Эта версия Wi-Fi еще не используется, но имеет потенциал для приложений IoT.
• 11ah — обозначенный как HaLow, является еще одним вариантом Wi-Fi, который использует нелицензированный диапазон ISM 902-928 МГц. Это маломощная низкоскоростная (сотни кбит / с) служба с дальностью до километра. Целью является применение в IoT.
• 11ax — 11ax — это обновление до 11ac. Его можно использовать в диапазонах 2,4 и 5 ГГц, но, скорее всего, он будет работать в полосе частот 5 ГГц исключительно для использования полосы пропускания 80 или 160 МГц. Ожидается, что наряду с 4 x 4 MIMO и OFDA / OFDMA, ожидается пиковая скорость передачи данных до 10 Гбит / с. Окончательной ратификации не будет до 2019 года, хотя предварительные версии, вероятно, будут полными.
• 11ay — это расширение стандарта 11ad. Он будет использовать полосу частот 60 ГГц, а целью является, по меньшей мере, скорость передачи данных 20 Гбит / с. Еще одна цель — расширить дальность до 100 метров, чтобы иметь больше приложений, таких как обратный трафик для других услуг. Выход этого стандарта не ожидается в 2017 году.

Беспроводные сети для IoT и М2М

Беспроводная связь, безусловно, является будущим интернет вещей (IoT) и межмашинных связей (Machine-to-Machine, M2M). Хотя проводные решения тоже не исключаются, но стремление к беспроводной связи все же является предпочтительней.

Типичным для устройств интернет вещей является небольшое расстояние действия, малая потребляемая мощность, небольшая скорость обмена данными, питания от аккумулятора или батареи с датчиком, как показано на рисунке ниже:

Альтернативой может стать какой-то удаленный исполнительный механизм, как показано на рисунке ниже:

Или же возможна комбинация этих двух устройств. Оба, как правило, подключаются к интернету через беспроводной шлюз, но также могут подключаться и через смартфон. Соединение со шлюзом также беспроводное. Вопрос в другом, какой беспроводной стандарт будет использоваться?

Очевидным выбором становится Wi-Fi, так как трудно представить себе место, где его нет. Но для некоторых приложений он будет излишен, а для некоторых слишком энергоемок. Bluetooth – еще один неплохой вариант, особенно его версия с низким энергопотреблением (BLE). Новые дополнения к сети и шлюзу Bluetooth делают его еще более привлекательным. ZigBee — еще одна готовая и ожидающая альтернатива, и не забываем о Z-Wave. Так же есть несколько вариантов 802.15.4, например 6LoWPAN.

Добавьте к ним новейшие варианты, являющиеся частью энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия (Low Power Wide Area Networks (LPWAN)). Эти новые беспроводные варианты предлагают сетевые соединения большей дальности, что обычно невозможно при использовании традиционных технологий, упомянутых выше. Большинство из них работают в нелицензируемом спектре ниже 1 ГГц. Некоторые из новейших конкурентов для приложений IoT:

• LoRa — изобретение Semtech и поддерживается Link Labs. Эта технология использует линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) при низкой скорости передачи данных, чтобы получить диапазон до 2-15 км.
• Sigfox — французская разработка, использующая ультра узкополосную схему модуляции при низкой скорости передачи данных для отправки коротких сообщений.
• Weightless – использует телевизионные белые пространства с методами когнитивного радио для более длинных диапазонов и скорости передачи данных до 16 Мбит / с.
• Nwave — это похоже на Sigfox, но на данный момент нам не удалось собрать достаточно информации.
• Ingenu — в отличие от других, этот использует диапазон 2,4 ГГц и уникальную схему множественного доступа с произвольной фазой.
• Halow — это 802.11ah Wi-Fi, описан выше.
• White-Fi — это 802.11af, описан выше.

Cellular определенно является альтернативой IoT, поскольку является основой межмашинных связей (М2М) уже более 10 лет. Межмашинные связи используют в основном 2G и 3G беспроводные модули для мониторинга удаленных машин. В то время, как 2G (GSM) в конечном счете будет постепенно сокращаться, 3G все еще будет «жить».

Теперь доступен новый стандарт: LTE. В частности, он называется LTE-M и использует сокращенную версию LTE в полосе пропускания 1,4 МГц. Другая версия NB-LTE-M использует полосу пропускания 200 кГц для работы с более низкой скоростью. Все эти варианты смогут использовать существующие сети LTE с обновленным программным обеспечением. Модули и чипы для LTE-M уже доступны, как и на устройствах Sequans Communications.

Одна из самых больших проблем интернет вещей – отсутствие единого стандарта. И в ближайшее время, скорее всего, он не появится. Возможно, в будущем, появится несколько стандартов, только как скоро?