Безпровідні мережі

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЗПРОВІДНІ МЕРЕЖІ

1. Загална характетистика та класифікація

Останніми роками напрям безпровідних комп'ютерних мереж зазнав бурхливого розвитку. Це пов'язано з поширенням блокнотних комп'ютерів та дедалі більшою популярністю систем класу ”персональний секретар” (Personal Digital Assistant (PDA)), розширенням функціональних можливостей стільникових телефонів та комунікаторів. Такі системи повинні забезпечити ділове планування, розрахунок часу, зберігання документів та підтримку зв'язку з віддаленими станціями . Девізом цих систем стало “anytime, anywhere”, тобто надання послуг зв'язку незалежно від місця та часу. Крім того, безпроводові канали зв'язку актуальні там, де неможливе або дороге прокладання кабельних ліній та значні відстані.

· Технології безпровідних та мобільних комунікацій сьогодні - це галузь телекомунікацій, яка найбільш динамічно розвивається. Спільним для всіх безпровідних мереж є використання для передавання електромагнітних хвиль і відсутність кабелів. технологія стільниковий мережа

Залежно від технологій та передавальних середовищ, які використовуються, можна визначити такі класи безпровідних мереж:

Інфрачервоні системи;

Мережі стільникової телефонії;

Мережі радіодіапазону;

UWB мережі;

Системи з використанням супутників;

Ситеми лазерного зв'язку.

Водночас, окремі безпровідні технології використовують для побудови мереж різного призначення та сфери дій:

Інтерфейсні мережі (Irda, UWB, Bluetooth);

Малі локальні мережі (Bluetooth, UWB);

Локальні мережі (Wi Fi);

Регіональні мережі (WiMAX);

Глобальні (мережі стільникові телефонії, супутників і канали).

Головним ресурсом безпровідної мережі є виділений для неї діапазон частот. Цей діапазон частот треба найбільш ефективно використати для передавання. В безпровідних мережах використовують такі методи доступу як FDMA (Freguency Division Multiple Access) коли весь частотний діапазон розділено на піддіапазони для окремих передавань, TDMA (Time Division Multiple Access) ситеми з розподілом часу, коли інтервал передавання поділяють на окремі часові слоти.

Значна кількість технологій безпровідних мереж викостовує SST (Spread Spectrum Technology) де використано розподіл сигналу за спектром частот. Це дає змогу значно підвищити пропускну здатність каналу завдяки більшій здатності. Технологію SST уже тривалий період використовують для військових потреб. Є два різновиди мереж SST :

· FH-SS. Приймач та передавач синхронно перескакують з частоти на частоту ;

· DH-SS. У кожний момент часу сигнал «розмазано» по широкому діапазоні частот.

Технологія SST дає змогу не тільки збільшити пропускну здатність мережі, а й ліпше реалізувати захист інформації відпрослуховування. Для зовнішнього спостерігача така інформація виглядає як «білий шум».

2. Технологія інфрачервоного діапазону у IrDA

Системи на базі інфрачервоних каналів відрізняються невеликою вартістю приймачів та передавачів (від 1,5 до 4,5 дол. США), високими швидкостями передавання. Передавання відбувається у межах прямої видимості на дуже короткі відстані (декілька метрів).

Стандартизацією мереж інфрачервоного діапазону займається Infrared Data Association (IrDA). Нею визначено комплекс наступних стандартів, які в сукупності і визначають IrDA технологією передавання.

IrPHY (Infrared Phisical Layer Specification) визначає фізичний рівень передавання.

Головними параметрами, що визначаються специфікацією фізичного рівня є: відстань, кут та швидкість передавання. Інфрачервоний сигнал передається у вигляді коротких імпульсів, потужність яких послаблюється залежно від відстані та кута відхилення від лінії прямої видимості. Стандарт визначає максимальну відстань передавання до 1м., але існують пристрої, що працюють на відстані декількох метрів. Пристрої IrDA також не можуть зближатися в притул, тому що чутливий приймач може «засліплюватися» сигналом передавача. Найкращою вважається відстань у 5-60 см. на лінії прямої видимості.

Робоча ланки передавання відбувається у напівдуплексному режимі пристрої перемикаються між режимами передавання та приймання. Неможливість реалізації дуплексного режиму пояснюється тим, що приймач пристрою «засліплюється» сигналом передавання того ж пристрою.

Базові швидкісні режими називають SIR, MIR та FIR. SIR (Serial Infrared) працює з набором швидкостей (9600 біт/с, 19,2 кбіт/с, ..., 115,2 кбіт/с), які визначені для послідовного інтерфейсу RS 232 C. MIR (Medium Infrared) працює зі швидкостями 0,57 та 1,15 мбіт/с. FIR (Fast Infrared) визначає швидкість у 4 мбіт/с. Розробляються стандарти, що підтримують швидкісні режими VFIR (Very Fast Infrared) - 16 мбіт/с та UFIR (Ultra Fast Infrared) - 100 мбіт/с.

IrLAP (Infrared Link Access Protocol) - протокол канального рівня. Виконує функції контролю доступу, пошуку партнерів для передавання. Для кожного передавання IrLAP визначає ролі пристрої. Один з пристроїв стає первинним, а інші - вторинними. Первинний пристрій дозволяє вторинним передавати.

IrLMP (Infrared Link Management Protocol) - це протокол керування, який поділяють ще на два підрівні: LM-MUX (Link Management Multiplexer) та LM-IAS (Link Management Information Access Service).

LM-MUX дозволяє створювати декілька логічних каналів передавання та визначчає порядок зміни ролей первинний/вторинний для пристроїв. LM-IAS підтримує список сервісів, які надаються пристроєм.

Tiny TP (Tiny Transport Protocol) - необов'язковий протокол, який реалізує передавання довгих повідомлень, їхню сегментацію та збирання та керування потоком передавання.

IrCOOM (Infrared Communication Protocol) - необов'язковий протокол, дозволяє інфрачервоному пристрою працювати як послідовний або паралельний порт ПК.

IrOBEX (Infrared Object Exchange) - реалізує обмін довільними об'єктами даних між пристроями (адресами, візитками, документами). Використовує сервіс Tiny TP.

IrLAN (Infrared Local Area Network) - надає можливість приєднання пристрою до локальної мережі.

3. Мережа Bluetooth

· Bluetooth - це інтерфейсна безпроводна технологія. Діаметр мережі 1 - 100 м. Працює в багатопунктовому режимі, не обов'язково в зоні прямої видимості. Головне призначення - створення побутових мереж, приєднання мультимедійної периферії, пральних машин, холодильників тощо (рис 1)

Концепцію мережі Bluetooth розробила в 1994 р. Шведська фірма Ericsson. Назва технології походить від прізвиська, що його дали вікінгу Гаральду Блатанду, який у ХХ ст. об'єднав розрізнені землі, створивши Датське королівство. В 1997 р. Створено перші приймачі - передавачі. У 1998 р. Сформовано групу SIG, у яку ввійшли Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. У 1999 р. випущено специфікації на обладнання. Пізніше технологія BlueTooth була затверджена стандартом IEEE 802.15.1.

У мережі Bluetooth використовують неліцензований частотний діапазон 2.45 ГГц. Однак у цьому діапазоні працюють багато інших технологій і він має багато завад. Під час передавання даних відбувається псевдовипадковий перехід на іншу частоту (FHSS) - до 1600 разів за 1с. Крім того, реалізовано часовий розподіл каналів. Таким чином, метод доступу в такій мережі гібридний - FHSS/TDMA. Швидкість передавання по всьому радіоканалу - 1 Мбіт/с. Такий підхід забезпечує ліпший захист від завад.

Залежно від потужності продукти Bluetooth належать до одного з трьох класів:

- Клас 1 (1мВ) - передавання на відстані від 10 см до 1 м;

- Клас 2 (2,5 мВ) - відстань передавання до 10 м;

- Клас 3 (100 мВ) - відстань передавання до 100м.

Пристрої Bluetooth об'єднують у групи (piconest), що розташовані на великій ділянці (10 - 100 м) та використовують один частотний канал. У такій групі роботою мережі керує один пристрій.

Кількість абонентів в одній пікомережі обмежена (79), оскільки використовуваний один частотний діапазон.

Окремі групи можна об'єднувати, утворюючи розподілені мережі (scatternet). Сусідні групи працюють у різних каналах, проте є пристрої, що належать одночасовим сусіднім групам. Через них і відбувається сполучення.

4. Технологія UWB

- Технологія Ultra wide band tehnology (UWB) - це новітня технологія широкосмугового передавання.

У лабораторних умовах UWB забезпечують швидкості передавання 100 Мбіт/с та більше двопунктовому каналі (для кожного користувача). Крім того, завдяки низькому енергоспоживанню тривалість живлення з батерей збільшується в десятки разів (місяці, замість годин як в інших технологіях).

Технологія UWB має декілька принципових відомостей від інших технологій передавань у радіодіапазоні. Вона не використовує сигналу - носія та не обмежена певним частотним діапазоном. (передавання UWB відбувається одночасно в багатьох частотних діапазонах). Цим вона подібна до IEEE 802.11b та CMDA, однак її частотний діапазон набагато ширший (потенційно - весь спектр радіочастот). Сьогодні Федеральна комісія з нагляду частот США (FCC) визначила для UWB діапазон 7.5 ГГц.

Надзвичайна ширина діапазону та незначний ступінь його використання мережами UWB спонукають до застосування його в інших технологіях безпровідного передавання. Теоретично вважають, що сигнали UWB настільки розподілені в такому широкому діапазоні, що ймовірністю створення завад для передавань інших технологій можна знехтувати.

Крім того, мережі UWB обмежені потужністю, що дає змогу використовувати їх найчастіше у WLAN. Сьогодні визначено два типи пристроїв UWB - для роботи в приміщеннях (їм дозволено мати більшу потужність) та поза межами приміщень (меншої потужності).

Технологія UWB здатна забезпечувати великі швидкості передавання за невеликого споживання енергії завдяки способу передавання - тут не використовують складних антен чи схем модуляції сигналу. Імпульси генерує сама мікросхема. Проміжки між імпульсами набагато ширші, ніж самі імпульси. Тривалість імпульсу - декілька наносекунд. З огляду на це, система більше часу простоює і тому економія енергії значна. Розглядають також варіанти роботи взагалі без джерел живлення та отримання потрібної невеликої енергії з середовища,потрібно до того, як зроблено у годинниках, що самі заводяться від руху їхніх власників.

На сьогодні запропоновано декілька технологій, які базуються на принципах UWB, але розрізняються деталями реалізації. Це Wireless USB, нові версії Bluetooth, технологія ZigBee. IEEE працює над стандартом IEEE 802.15.3a для UWB технологій.

5. Технологія Wi-Fi

IEEE 802. 11 - це родина технологій безпроводного передавання в радіодіапазоні. Сьогодні найпопулярніша технологія стандарту IEEE 802.11b; вона дає змогу передавати дані зі швидкістю 11 Mbps на відстань від декількох до десятків миль. У ній використовують смугу частот 2.4 Гц. Вихідна швидкість залежить від рівня завад, обладнання. На базі IEEE 802.11b будують безпровідні локальні мережі Wireless LAN (WLAN)).

Група стандартів IEEE 802.11 фактично визначає фізичний та канальний рівень протоколів передавання. Стандарти відрізняються реалізаціями фізичних рівнів передавання, забезпечують різні швидкості.

IEEE 802.11 це попередня версія стандарту, відома як Радіо Ethernet (Wired Ethernet), сьогодні вже застаріла.

IEEE 802.11b забезпечує максимальну швидкість передавання 11 Мбіт/с та використовує 14 каналів у діапазоні 2.4 ГГц.

IEEE 802.11а забезпечує швидкість передавання 54 мбіт/с. Працює в діапазоні 5 ГГц. Має 12 каналів передавання. У ній використовують два піддіапазони передавання 5.15 - 5.25, 5.25 - 5.35 ГГц.

IEEE 802.11g - забезпечує швидкість передавання 22 Мбіт/с. Прецює в діапазоні 2.4 ГГц. Повністю сумісний з IEEE 802.11b, однак пропонує три нові методи кодування, які дають змогу збільшити швидкість.

Організація Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) сертифікує обладнання на відповідність IEEE 802.11b і ставить на ньому позначку Wi - Fi compatible (Wireless Eidelity).

Топологія мережі

Мережа Wi - Fi може працювати і в допунктових сполученнях, однак найчастіше в мережі наявні один або декілька пунктів доступу (Access points) (рис. 2). Станції, обладнані адаптерами IEEE 802.11, передають дані через пункт(и) доступу. Отже, мережа має зіркову топологію. Тунктом доступу здебільшого призначена станція, яка може бути сервером служб DHCP, NAT, DNS та обладнана потужною антеною. Така конфігурація типова для безпровідних локальних мереж (Wireless LAN - WLAN).

Подібними до пунктів доступу є домашні шлюзи (residential gate) які вирізняються простотою адміністрування та призначені для рішення проблем доступу в мережах «останньої милі».

Фізичний рівень мережі

Метод DCF

- Метод DCF - це модифікація методу доступу з контролем частоти - носія та попередження колізій (Carrier Sense multiple access with avoidance (CSMA/CA)).

Як і в звичайному CSMA - методі доступу,станції чекають на звільнення каналу перед початком передавання. Кожна станція має лічильник NAV, у якому записано час передавання поточногокадру. Кожна станція перд початком передавання обчислює прогнозований час передавання свого кадру на підставі його довжини та швидкості передавання. Цей час записують у заголовок кадру, звідки його зчитують всі інші станції, які й оновлюють свої NAV. Як і в CSMA - методі доступу, якщо спроба передавання була невдалою, то наступна спроба буде відкладена на випадковий проміжок часу.

Особливістю радіомереж є те, що приймач не може прослуховувати канал під час передавання. Тому він не в стані виявити колізію, як це відбувається в проводових мережах IEEE 802.3. Тому станція, що приймає, підтверджує приймання кожного кадру. Якщо підтвердження не отримано через визначений тайм - аут, то відбувається наступна спроба передавання.

Для підтримки ізохронного передавання метод DCF може бути доповнений метод PCF, який є різновидом методу доступу з опитуванням. У цьому випадку тривалість передавання поділяють на періоди з конкуренцією та без неї. В період без конкуренції, пункт доступу опитує всі станції та дозволяє їм передавання. Це дає змогу забезпечити як синхронне, так і асинхронне передавання.

Інші функції MAC - підрівня IEEE 802.11 такі:

Сканування. Кожен адаптер постійно сканує ефір у пошуку сигналів від пунктів доступу. Скасування буває пасивним та активним. Обовязковим є пасивне сканування. В ньому станція переглядає окремі канали в пошуку найсильнішого сигналу з пунктів доступу. Кожен пункт доступу періодично передає сигнал (кадр) присутності. В цьому кадрі є ідентифікатор пункту, доступні швидкості передавання. В активному скануванні адаптер сам ініціює сканування, передаючи кадр вимови на передавання. Пункти доступу відповідають кадрами присутності, і надалі процес відбувається так, що, станція не очікує, доки пункт доступу передасть кадр присутності.

Автентифікація. Пункт доступу аутентифікує станції. У цьому разі можна використовувати два підходи: аутентифіакцію відкритих систем та зі спільними ключами. Аутентифікація відкритих систем є обв'язковою, її проводять у двох кроках. Процес ініціює станція, яка перездає запит до пункту доступу. Цей пункт перевіряє запит і підтверджує або відхиляє його. Аутентифікація з відкритими ключами ліпше захищена, але й більш складніша. Асоціація. Станція після успішної аутентифікації повинна обрати пункт доступу, з яким буде працювати. Вона узгоджує з обраним пунктом доступу швидкість передавання; запит із зазначенням можливих швидкостей передавання. Пункт доступу відповідає кадром підтвердження, у якому наводить додаткову інформацію про себе. Після асоціації з пунктом доступу починається сеанс передавання.

6. Безпровідна мережа Wimax

Термін “Wimax” (Wireless MAN) застосовують для позначення групи технологій для регіональних безпровідних мереж. Топологія мережі Wimax подібна до топології Wi - Fi.

Стандарт ІЕЕЕ 802.16 визначає технологію Womax, що працює у частотному діапазоні 10 - 66 GHz. Ця технологія вимагає ліцензування частотного діапазону та наявності прямої видимості між антенами.

Новий стандарт ІЕЕЕ 802. 16а, прийнятий у січні 2003 року, визначає технологію, що працює в іншому діапазоні передавання (2 -11 GHz) та невимагає наявності прямої видимості між перелачою та приймаючою антенами.

Фізичний рівень

Визначено декілька можливих варіантів реалізації фізичного рівня Wimax:

Фізичний рівень з однією несучою (Single Carrier PHY);

Рівень з багатьма несучими, мультиплексуванням, ортогональним розподілом за частотами та дескретним швидким перетворенням Фур'є (256 point FFT OFDM PHY);

Рівень з використанням 2048 - точкового перетворення Фур'є.

Стандарт ІЕЕЕ 802. 16а дозволяє гнучко вибрати ширину каналу передавання.

Канальний рівень

На канальному рівні технологія застосовує метод доступу з розподілом часу TDMA (Time Division Multiple Access). Пункт дрступу плнує розподіл пропускної здатності з врахуванням типу трафіку та встановленими класами сервісу. Таким чином, можна ефективно передавати повідомлення, чутливі до затримок, такі як мовні, відео або аудіо потоки.

Порівняно з ІЕЕЕ 802.11, Wimax має більш інтелектуальний фізичний рівень. Він дозволяє гнучко вибирати ширину смуги пропускання. При цьому вимірюється якість передавання та автоматично налаштовується потужність сигналу.

Сфера застосування

Мережі Wimax можуть використовуватися як мережа останньої милі, створюючи недорогу альтернативу для мереж DSL або мереж кабельного телебачення. Її також доцільно застосовувати в місцевостях зі слабкою кабельною інфраструктурою, або там, де прокладати кабельні сполучення недоцільно.

Мережі Wimax дозволяють передавати дані на відстані до декількох десятків кілометрів зі швидкостями до 70 Мб/с в одному радіочастотному каналі.

7. Технології стільникових мереж

Стільникові мережі використовують наявну інфраструктуру стільникової телефонії. Вони працюють в особливо важких умовах великих завад, періодичного зникнення сигналу. Стільникові технології пройшли декілька етапів розвитку:

1G технології. Початок 80 - х рр. Перша генерація стільникових мереж використовувала аналогові технології. В таких мережах передавали тільки телефонні розмови;

2G технології. Середина 90 - х рр. Цифрове кодування та передавання мовлення та коротких тестових повідомлень;

2,5G технології. 2001 рік. Цифрові мережі з передаванням мовлення, тексту, приєднання до Internet.

3G технології. Технології наступної генерації. Швидкість передавання до 2 Мбіт/с. Передавання мультимедійних даних.

Ці технології можна розглядати згідно з протокольними рівнями.

На фізичному та канальному рівнях визначають різноманітні методи доступу, які відображені у різноманітних технологіях. Серед методів доступу виділяють аналогові та цифрові.

Головний ресурс стільникової мережі - це виділений для неї діапазон частот. Аналогові методи доступу виділяють для кожного передавання окремий канал - смугу частот у визначеному для мережі діапазоні. У цьому випадку сусідні стільникові комірки не можуть працювати в одному й тому ж діапазоні частот (інакше передавання в сусідніх комірках заважали б одне одному). Частотний діапазон поділяють на сім частин (рис. 3).

Серед методів доступу, які використовують цифрове передавання, популярні різні модефікації TDMA (Time Division Multiple Access). Вони застосовують відомий принцип розподілу часу передавання на окремі часові слоти. До цієї групи методів належать AMPS(Advanced Mobile Phone Service) (частотні канали в 30 кГц поділяють на три часові слоти), NAMPS, PDC (канали по 25 кГц, три слоти), GSM (діапазони 200 кГц, вісім слотів).

Найпопулярнішими сьогодні є технології GSM та CDMA ( Code Division Multiple Access ), що використовують цифрове передавання.

Технологія GSM

технологія мобільної телефонії GSM почала розроблятися на початку 80- х рр. минулого сторіччя , коли група європейських країн та мобільних операторів створила робочу групу Group Special Mobile для розробки загальноєвропейського стандарту цифрової стільникової телефонії. Перші комерційні версії GSM зявилися на початку 90- х рр. завдяки своїй цифровій природі мережі GSM з самого початку були пристосовані для передавання не тільки мови, але й даних.

Принцип роботи та архітектура

Стільникова мережа GSM складається з декількох головних компонентів (рис 4).

Стільниковий телефон (MS- Mobile Station) використовується для організації доступу абонента до мережі. Телефон безпосередньо підтримує зв'язок з базовою станцією (BTS- Base Tranciver Station).

Складається з двох частин - власне телефону та модулю ідентифікації абонента (SIM - Subscriber Identification module). SIM модуль виконано у вигляді смарт - карти. Кожен телефон також має унікальний ідентифікатор мобільного обладнання (IMEI - International Mobile Eqipment Identity). Використання модулю SIM дозволяє переносити інформацію про абонента та послуги, на які він підписаний на інший телефон, просто переставляючи SIM - карту.

Базова приймально - передавальна станція відповідає за організацію зв'язку з мобільними телефонами у своєму радіусі зв'язку. Радіус зв'язку обирається виходячи з очікуваної кількості абонентів у сфері дії станції.

Контролер базових станцій узгоджує та координує роботу базових станцій. Він забезпечує передавання мобільних користувачів під час їх переміщення між окремими стільниками, регулює несучі частоти для зменшення інтерференції між окремими передаваннями.

Сукупність базових станцій та контролер утворюють підсистему базових станцій (Base Station Subsystem, BSS).

Комутаційний центр мобільних послуг (Mobile services Switching Center - MSC) ідентифікує та реєструє абонентів, маршрутизує потоки даних, реалізує сполучення зі звичайними телефонними мережами. При цьому використовуються такі бази даних:

Домашній реєстр абонентів(HLR - Location Register);

Реєстр абонентів - гостей (Visitor Location Register - VLR);

Реєстр обладнання (Equipment Identity Register - EIR);

Індетифікаційний центр (Authentication Center - AuC).

Структура каналів та метод доступу

Мережа GSM використовує комбінацію методів доступу з частотним розподілом ( Frequency Division Multiplexing, FDM) та методу доступу з розподілом часу (Time Division Multiplexing, TDM).

Наприклад, мережі GSM 900 призначено частотний діапазон 890 - 960 МГц. Він поділений на два під діапазони, один з яких використовується для передавання від мобільного телефону до базової станції, а інший - у зворотному напрямку. Кожний з піддіапазонів у свою чергу поділяється на канали по 20 КГц, так що загалом GSM працює з 124-ма повнодуплексними каналами. Для збільшення кількості передавань кожен канал поділено ще на вісім часових інтервалів.

Роумінг

Підтримка можливості встановити сполучення з мобільного телефону незалежно від місця знаходження абонента називають роумінгом. Процедура роумінгу реалізується по-різному коли абонент дзвонить, або отримує дзвінок.

Декілька близько розташованих стільників об'єднуються у т. зв. область знаходження (location area). Коли робиться телефонний дзвінок при зміні області знаходження абонента, телефон реєструється у Реєстрі абонентів - гостей. Комутаційний центр передає інформацію про дзвінок до Домашнього реєстру абонента. Домашній реєстр повертає дані про послуги, на які підписаний абонент та тимчасово відміняє його реєстрацію у Домашньому реєстрі. Після цього абонент отримує можливість отримати ті ж послуги, що і раніше.

При отриманні дзвінка виклик передається на комутаційний центр - шлюз. Шлюз запитує у Домашньому реєстрі про розташування абонента. Домашній реєстр повідомляє відповідний Реєстр абонентів - гостей про дзвінок і телефону - адресату тимчасово присвоюють номер, якій передається шлюзу. Після цього шлюз має всю інформацію для спрямування виклику.

Размещено на Allbest.ru