Другие особенности беспроводных каналов
Ряд особенностей беспроводной передачи данных не позволяет использовать многие методы, характерные для проводных промышленных сетей.
Беспроводные трансиверы не могут передавать и принимать сигнал на одном и том же канале. Это связано с быстрым уменьшением плотности мощности излучения от расстояния (2.3). Сигнал собственного передатчика оказывается на порядки сильнее принимаемого сигнала и заглушает его. В отличие от этого, в проводных каналах оба сигнала имеют примерно одинаковую мощность. Поэтому беспроводные трансиверы в принципе не могут прослушивать линию во время передачи, как это делается, например, в CAN или Ethernet. Описанное свойство делает невозможным применение методов доступа к сети, основанных на обнаружении коллизий.
Обнаружение несущей чужой станции даже при неработающем собственном передатчике также оказывается проблематичным, см. рис.2.37. Здесь три окружности показывают границы приема сигналов тремя станциями А, В и С. Предположим, что станция А передает сообщение станции В. В это время станция С прослушивает эфир и не слышит несущую, поскольку находится вне зоны действия станции А. Обнаружив отсутствие несущей, станция С начинает передачу одновременно со станцией А, что приводит к потере информации, поскольку станция В может принимать только один сигнал ("проблема скрытого узла").
Рис. 2.37. Иллюстрация "проблемы скрытого узла" |
Для решения этой проблемы можно использовать сигнал "занято", подаваемый станцией В. Однако наиболее общее решение проблемы предложено в стандарте IEEE 802.11. Оно заключается в том, что станция А начинает сеанс связи с обмена пакетами запроса на передачу RTS (Request To Send). Станция В может ответить пакетом CTS ("Clear To Send" - "свободно"). Только при получении этого сообщения станция А начинает передачу пакета данных. Любая другая станция, получившая пакет RTS или CTS, предназначенный не ей, будет оставаться в состоянии ожидания. Недостатком этого метода является то, что сигналы RTS/CTS существенно ухудшают скорость обмена между устройствами, поскольку размеры их пакетов сравнимы с размерами полезных данных.
Вышеизложенное показывает, что беспроводные каналы не могут использовать метод доступа к каналу типа CSMA/CD. Для них применяется метод CSMA/CA - ("Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance" - "множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий"). От CSMA/CD он отличается тем, что коллизии в нем не обнаруживаются, в то время как в CSMA/CD коллизии обнаруживаются и принимаются меры для их разрешения. Поскольку в CSMA/ CA коллизии не могут быт обнаружены, т. к. приемник всегда заглушается сигналом своего передатчика, то принимаются специальные меры для снижения вероятности возникновения коллизий. В частности, используют сигналы резервирования канала связи, благодаря чему коллизии возникают между короткими сигналами резервирования, а не между длинными пакетами данных. Предотвращение коллизий выполняется благодаря тому, что станция, которая собирается начать передачу, информирует всех участников сети об этом, резервируя для себя определенное время. И только после того, как все станции приняли этот сигнал, она начинает передавать. Используют также случайную задержку после освобождения канала (в методе CSMA/ CD передача начинается сразу после освобождения канала), чтобы уменьшить вероятность коллизии, поскольку очень вероятно, что многие станции ждут освобождения канала и могут начать передачу сразу и одновременно, как только он освободится.
Следующей проблемой является электропитание беспроводных сетей, поскольку беспроводные устройства (в основном, датчики) не должны иметь проводов (подключаться куда-либо с помощью проводов). Поэтому очень актуальна проблема экономии энергии батарей, поиск простых способов их замены, исключение отказов по причине разряда, поиск альтернативных источников энергии. В литературе рассматриваются варианты передачи энергии питания электромагнитными волнами, трансформаторами с большим воздушным зазором (на расстояние до нескольких метров), извлечение энергии сгорания топлива, применение солнечных батарей.