Общие сведения о беспроводных диапазонах
В качестве среды передачи данных в сетях используются электромагнитные волны различных частотных диапазонов. В локальных сетях радиосвязь из-за небольшой скорости и низкой помехозащищенности целесообразно использовать только в тех случаях, когда невозможно проложить кабель или при работе с переносными компьютерами. Для построения магистральных беспроводных каналов в глобальном масштабе используются спутниковые системы связи и наземные радиорелейные каналы СВЧ-диапазонов. В общем случае спектр используемых электромагнитных волн делится на следующие диапазоны (Таблица 8.1).
Таблица 8.1 Диапазоны спектра электромагнитных волн для построения магистральных беспроводных каналов.
| Номер | Название диапазона | Частота | Длина волны |
| Высокочастотный | 3 – 30 МГц | 100 м – 10 м | |
| VHF | 50 - 100 Мгц | 6 м - 3 м | |
| УВЧ (UHF) | 400-1000 МГц | 75 см - 30 см | |
| Микроволновый | 3*109 – 1011 Гц | 10 см – 3 мм | |
| Миллиметровый | 1011 – 1013Гц | 3 мм – 0,3 мм | |
| Инфракрасный | 1012 – 6 1014 | 0,3 мм – 0,5 мкм |
Далее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей. Для сравнения, на рис. 8.1 приведены частотные диапазоны различных каналов связи.
При использовании всенаправленных антенн и отсутствии препятствий на пути следования, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно, а мощность сигнала падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником. При частотах свыше 100 МГц для передачи информации на большие расстояния в строго определенном направлении, волна должна быть сфокусирована с помощью параболических антенн.
Рис. 8.1 Диапазоны частот различных телекоммуникационных каналов.
До появления оптоволокна, радиорелейная связь составляла основу систем передачи данных на большие расстояния. Для этого на определенном расстоянии друг от друга ставились башни с ретрансляторами. Высота башни зависела от расстояния и мощности передатчика. Сегодня такие каналы используются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или слишком дорого.
Для увеличения пропускной способности канала передачи информации используются частоты СВЧ диапазона. Например, для организации радиоканалов передачи информации используются частотные диапазоны 902-928 МГц на расстояния до 10 км с пропускной способностью до 64 Кбит/с, 2,4 ГГц и 12 ГГц на расстояния до 50 км с пропускной способностью до 8 Мбит/с.
Более низкие частоты (например, 300 МГц) мало привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (>30 ГГц) работоспособны для расстояний порядка 5км из-за поглощения радиоволн в атмосфере. Однако, на частотах более 8 ГГц, также возникает проблема поглощения радиоволн атмосферными дождевыми или снеговыми осадками. Поглощение в атмосфере ограничивает использование частот более 30 ГГц. Атмосферные шумы, связанные в основном с грозовыми разрядами, доминируют при низких частотах вплоть до 2 МГц. Даже галактический шум, приходящий из-за пределов солнечной системы вызывает проблемы на частотах до 200 ГГц.
Мощность передатчиков в беспроводных сетях обычно лежит в диапазоне 50 мВт - 2 Вт. Для устойчивой и скоростной связи устройств, работающих в частотных диапазонах более 2,4 ГГц необходима прямая видимость между приемником и передатчиком.
В 1992 году страны-члены ЕС выделили диапазон частот 1,89-1,9 ГГц для целей построения сетей, базирующихся на применение радиосигналов по стандарту DECT - Digital European Cordless Telecommunications. Этот стандарт разработан для передачи данных и голоса в системах сотовой связи. Для аналогичных целей выделены частотные диапазоны 18 и 60 ГГц.
Ранние протоколы беспроводных локальных сетей базировались на методе доступа с рассылкой предупреждений MACA (Multiple Access with Collision Avoidance), что является основой стандарта IEEE 802.11. В последующем, метод MACA был усовершенствован и получил название MACAW. В данном методе требуется подтверждение получения любого информационного кадра, а также добавлен механизм оповещения о перегрузке.
Основным недостатком беспроводных сетей является ненадежность каналов связи. При этом снижение скорости передачи, как правило, не приводит к снижению вероятности потери.
Спутниковые каналы связи
Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных орбитах или низкоорбитальных. Геостационарные спутниковые системы дают заметные задержки прохождения сигналов более 500 мс. В низкоорбитальных системах обслуживание пользователей происходит поочередно разными спутниками. Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, нужно больше спутников и наземных станций, а также требуется система межспутниковой связи.
Геостационарные спутники.Согласно 3-му закону Кеплера период вращения спутника пропорционален 3/2 степени орбитального радиуса. На высоте примерно 36000 км над экватором период спутника будет равен 24 часа. Такой спутник наблюдателю на экваторе будет казаться неподвижным. Неподвижность спутника позволяет использовать простые антенные системы. В силу интерференции волн не целесообразно размещать спутники ближе, чем 2 градуса экваториальной плоскости. Однако, если спутники работают на разной частоте, то это возможно. Таким образом, в одно и тоже время на экваториальной орбите может находится около 180 спутников, работающих на одной и той же частоте. Так как часть из этих орбит зарезервирована не только для целей связи, то их на самом деле меньше. Геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которым они висят. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей вид восьмерки. Угловой размер восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником.
Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей (особенно для широт более 700), для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко, а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Правильный выбор спутника может заметно снизить стоимость канала.
Каждый спутник связи имеет несколько приемопередатчиков - транспондеров. Каждый транспондер слушает свою часть спектра, усиливает полученный сигнал и передает его обратно на землю в нужном направлении, на нужной частоте, отличной от частоты приема, чтобы избежать интерференции с принимаемым сигналом. Как правило, передача ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника. Возвращаемый луч может быть по желанию либо широким, покрывая большую территорию, либо наоборот узко направленным. Первые спутники имели один широкий луч. Современные спутники имеют несколько узких лучей, пятно которых охватывает несколько сот километров. Пусть спутник обладает 12-20 транспондерами, каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Данная пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов 32 Кбит/c. Можно поляризовать сигналы так, что два транспондера смогут использовать одну и ту же частоту.
Рассмотрим структуру спутниковых каналов передачи данных на примере системы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Это узкоапертурная технология передачи. Наземные терминалы здесь используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. Непосредственно такие терминалы не могут работать друг с другом, только через телекоммуникационный спутник. Таким образом, наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция и абонентские пункты. Связь центральной станции со спутником происходит по радиоканалу с пропускной способностью 2 Мбит/с через направленную антенну и приемопередающую аппаратуру. Абоненты подключаются на выделенных им частотах к центральной станции по звездообразной схеме с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура для каналов Т1, Т3 или Е1, Е3). Подвижные или труднодоступные абоненты могут подключаться к центральной станции по радиоканалу через спутник и свои антенны. Центральная станция передает сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на абонентских частотах.
Примерами российских систем спутниковой связи с геостационарными орбитами могут служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в системе Runnet применяются геостационарные спутники "Радуга". Один из них, с точкой стояния 85 градусов восточной долготы, охватывает почти всю территорию России. В качестве приемопередающей аппаратуры используются станции "Кедр-М" или "Калинка", работающие в сантиметровом диапазоне волн в частотных диапазонах 6,18 - 6,22 ГГц и 3,855 - 3,895 ГГц соответственно.
Низко орбитальные спутники.Данныеспутники движутся по низким эллиптическим орбитам менее 1000 км с периодом обращения ~1 час, и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг. Из-за малой высоты полета наземные станции могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.
Примером системы с низкоорбитальными спутниками может служить система глобальной спутниковой телефонной связи "Глобалстар". Она включает 48 низкоорбитальных спутников, находящихся на высоте 1400 км, которые охватывают весь земной шар. Каждая наземная станция имеет одновременно связь с тремя спутниками. Спутник обеспечивает шесть сфокусированных лучей радиоволн по 2800 дуплексных радиоканалов каждый. Система поддерживает телефонную связь для труднодоступных районов, оказывает навигационные услуги, определяет местонахождения подвижных объектов. Другая спутниковая сеть Iridium включает 66 низкоорбитальных спутников с диапазоном частот 1610 - 1626,5 МГц. Вдоль меридиана на расстоянии 32 градуса располагаются 11 спутников, летящих на высоте 750 км. Таких «ожерелий» 6, каждый спутник имеет 48 пятен, так что 1628 сот покрывают землю. Каждая сота имеет 174 дуплексных канала на частоте обычного сотового телефона. В мире поддерживается 283 272 канала. Прием и передача идут на частоте 1.6 ГГц, что позволяет использовать устройства, работающие от батареек. Если сообщение принятое одним спутников адресовано в область, покрываемую другим, то оно будет передано от одного спутника другому.
Спутниковые системы связи имеют отличия от наземных систем.
1. Большая задержка сигнала;
2. Спутниковые системы являются системами принципиально вещательного типа;
3. Имеют место серьезные проблемы, связанные с обеспечением безопасности передаваемой информации;
4. Стоимость передачи не зависит от расстояния;
5. Низкий коэффициент ошибок при передаче;
6. Коечному пользователю с индивидуальной антенной доступна вся пропускная способность спутника, в отличие от проводных каналов связи, где за счет мультиплексирования пропускная способность делится между множеством абонентов;
7. Спутник доступен практически всегда;
8. Возможность организации мобильных систем связи на больших расстояниях;
9. Возможность организации систем связи на больших расстояниях и в труднодоступных местах, на водных пространствах;
10. Большая скорость организации системы передачи данных.
Существует несколько способов работы наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте, по времени, метод доступа с коллизиями, маркерный метод доступа. Последняя схема предполагает, что наземные станции образуют логическое кольцо, вдоль которого двигается маркер. Станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.
Метод мультиплексирования по частоте является старейшим и наиболее часто используемым в спутниковой связи. Например, типовой транспондер с полосой пропускания 36 Мбит/с, может предоставлять 500 каналов со скоростью 64 Кбит/с, каждый из которых работает со своей уникальной частотой, чтобы исключить интерференцию с другими. Соседние каналы должны отстоять на достаточном расстоянии друг от друга. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. При переменном числе терминалов или изменении загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов.
Метод мультиплексирования по времени требует синхронизации для областей покрытия. Это производится с помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизовано или децентрализовано. Рассмотрим пример системы ACTS (Advanced Communication Technology Satellite). Система имеет 4 независимых канала (TDM) по 110 Мбит/c (два восходящих и два нисходящих). Каждый из каналов структурирован в виде совокупности 1-милисекундных кадров, каждый из которых имеет по 1728 временных доменов. Каждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 Кбит/c. Управление временными доменами с целью минимизации времени на перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций и осуществляется одной из наземных станций. Работа системы ACTS представляет собой трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник получает кадр и запоминает его. На втором – спутниковый компьютер копирует входную запись в выходной буфер. Далее, выходная запись передается наземной станции. В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например, для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос по специальному управляющему каналу.
Системы сотовой связи
Телефонные системы, даже на основе высокоскоростного ISDN, не в состоянии удовлетворить потребности в мобильной связи. Системы мобильной связи осуществляют передачу информации между пунктами, один из которых или оба являются подвижными. Характерным признаком систем мобильной связи является применение радиоканала. К основным технологиям мобильной связи относятся пейджинг, твейджинг, транкинг, сотовая телефония, спутниковая телефония.
Пейджинг – это система односторонней связи, при которой передаваемое сообщение поступает на пейджер пользователя, извещая его о необходимости предпринять то или действие, или просто информируя его о тех или иных текущих событиях (симплексный режим). Это наиболее дешевый вид мобильной связи, который требует небольшой полосы пропускания.
Твейджинг - это система двухстороннего пейджинга. В отличие от пейджинга здесь возможно подтверждение получения сообщения и даже проведение некоторого подобия диалога.
Транкингом (транковой связью) называется мобильная связь, для которой характерны следующие особенности:
1. Наличие связи внутри некоторой группы и возможности группового вызова от центра ко всем членам группы;
2. Наличие приоритетности;
3. Повышенная скорость соединения;
4. Возможность выхода в телефонную сеть общего пользования может отсутствовать;
5. Преимущественная передача данных в полудуплексном режиме.
Наиболее распространены два протокола транкинговой связи: аналоговый МРТ-1327 и цифровой TETRA. В иерархической структуре системы транкинговой связи используются базовые станции и центры коммутации. Станция обслуживает одну зону и имеет от одной до нескольких несущих частот, отличных от частот соседних зон. В цифровой системе TETRA применяется метод мультиплексирования по времени с реализацией нескольких слотов на каждой из несущих частот. В аналоговой системе МРТ-1327, обычно используется несколько частотных поддиапазонов в пределах диапазона 80-800 МГц с выделением каналов шириной в 12,5 кГц. Очевидно, что чем меньше частота, тем больше площадь охватываемой зоны, но меньше число каналов.
Сотовая телефония обеспечивает телефонную связь между подвижными абонентами посредством зон покрытия связи (сот). Связь осуществляется через базовые станции, выполняющие функции коммутаторов.
Первые мобильные радиотелефоны использовались в армии. Как правило, база поддерживала несколько каналов, по каждому из которых можно было общаться в полудуплексном режиме. В 1960-е годы появляется дуплексная система IMPS (Improved Mobil Telephone System), в которой каждый канал использует две частоты - одну для получения сигналов, другая - для передачи. Эта система могла поддерживать до 23 каналов. Ситуация с мобильной телефонной связью изменилась, когда в 1982 году появилась система сотовой связи. Идея этой системы заключается в том, чтобы охватить большую территорию с небольшим числом каналов, следует разбить ее на небольшие части (соты) и использовать повторно частоты в несмежных сотах. В общем случае преимущества использования сотовой телефонной сети следующие:
1. Выигрыш в использовании частот из-за их повторного использования;
2. Увеличенная емкость сети, т.е число одновременно обслуживаемых пользователей;
3. Возможность использования маломощного сигнала;
4. Компактность приемопередатчика;
5. Малая мощность источников питания;
6. Хорошая масштабируемость сети за счет разделения сот при нарастании числа отказов.
Соты имеют базовую станцию, состоящую из процессора и приемно-передающей части. Базы подключаются к центральной станции коммутации. Центральная станция соединяется с наземной телефонной сетью и, при необходимости, коммутирует звонок с мобильного телефона на обычный телефон. Такие системы могут обслуживать пейджинговую и сотовую сеть.
В каждый момент времени мобильный телефон логически находится в одной определенной соте и управляется одной базовой станцией. Когда телефон покидает ее, базовая станция обнаруживает падение уровня сигнала и запрашивает окружающие станции об уровне сигнала для данного аппарата. Управление аппаратом передается станции с наибольшим входным сигналом. Телефон информируется о смене управляющей станции, при этом предлагается переключиться на новый частотный канал, так как в смежных сотах используются разные частотные каналы. Процесс переключения занимает менее 300 мсек, что незаметно для пользователя. Сигнал передатчика падает по мере удаления от базовой станции соты. В пределах сот предусмотрено несколько каналов для приема/передачи, разнесенных по частоте. Центральная станция коммутации (MSC - Mobile services Switching Centre) осуществляет коммутацию и маршрутизацию, направляя вызовы нужному абоненту, в том числе во внешние сети общего пользования. В ее базе данных хранятся сведения о местоположении пользователей, технических характеристиках мобильных станций, данные для идентификации пользователей.
В рамках стандарта сотовой связи первого поколения AMPS (Advanced Mobile Phone Service) формировалось 832 полнодуплексных аналоговых канала в диапазоне 800-900 МГц. Недостатком такой связи является невозможность обеспечения конфиденциальности. С помощью широкополосного сканера можно было зафиксировать вызов и осуществить прослушивание или использовать чужое эфирное время. В Европе одна из первых систем сотовой связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) появилась в Скандинавии. Это сеть с аналоговыми каналами связи, работающая в частотном диапазоне 453-468 МГц. Низкие частоты обусловливают повышенную дальность связи, слабую помехоустойчивость, сложность защиты сети, малое число каналов.
В настоящее время услуги мобильной связи применяются для передачи цифровых данных. Мобильные телекоммуникации использует диапазоны в интервале 50 МГц – 1 ГГц, работают при малых выходных мощностях передатчика, что ограничивает размер зоны приема. Принят стандарт второго поколения систем мобильной связи GSM (Groupe Special Mobile). Идея организации такой связи имеет много общего с технологией ISDN. В рамках стандарта имеется множество полнодуплексных каналов внутри соты, с полосой частот 200 кГц, что позволяет обеспечить пропускную способность 270,833 бит/с на канал. Каждый из частотных каналов делится по стандарту между восемью пользователями в режиме мультиплексирования по времени. Теоретически, в каждой соте может существовать 992 канала, на практике многие из них недоступны из-за интерференции с соседними ячейками.
Таким образом, система использует комбинированный метод доступа с мультиплексированием по частоте и по времени. Используется цифровой способ кодирования передачи. В системе предполагается, что у пользователя есть только один номер, по которому он доступен, независимо от места его нахождения. На практике, в разных системах коммуникации один и тот же пользователь может иметь разные номера.
Преимуществами системы является то, что GSM может обеспечивать роуминг, т.е. автоматическое отслеживание перехода мобильного пользователя из одной соты в другую, допускает интеграцию речи и данных, а также и связь с сетями общего пользования. Используются разновидности: сотовая связь GSM-900 в частотном диапазоне 890-960 МГц, и микросотовая связь GSM-1800 (DCS-1800) в диапазоне 1710-1880 МГц. Название «микросотовая» обусловлено большим затуханием и, следовательно, меньшей площадью соты.
Система GSM базируется в основном на коммутации каналов. Недостатками для подключений компьютера в режиме удаленного доступа посредством системы GSM к глобальным компьютерным сетям являются временные потери связи и соответственно данных между базовыми станциями, высокая вероятность ошибок и большая стоимость минуты работы в компьютерной сети. В связи с этим был разработан стандарт на цифровую систему коммутации пакетов CDPD (Cellular Digital Packet Data), по которому обеспечивается более надежная связь базовой станции с мобильным компьютером. В функции интерфейса входит сжатие и шифрование данных, а также исправление ошибок. Диапазон скоростей передачи данных с использованием цифровых систем сотовой связи довольно широк - от 19,2 Кбит/с (в стандарте CDPD) до 1,23 Мбит/с (в стандарте CDMA). Типичный радиус действия 10...12 км.
Согласно используемым в сотовой связи методам доступа, перед передачей данных по сети GSM, прослушивается канал базовой станции и проверяется флаг, сообщающий, свободен ли ее входной канал. Если канал занят, компьютер пропускает псевдослучайное число временных доменов, после чего повторяет попытку соединения. Если повторная попытка неудачна, время ожидания увеличивается примерно вдвое. Когда канал свободен, компьютер начинает пересылку своих кадров. Работает алгоритм DSMA (Digital Sense Multiple Access), препятствующий попытке всех узлов, готовых к передаче, захватить канал, как только он оказался свободным. Коллизии при данном методе доступа возможны, так как два узла могут воспользоваться одним и тем же временным доменом для начала передачи. Для выявления коллизий предусмотрен специальный флаг, который позволяет судить, правильно ли доставлен предыдущий микроблок. Однако, это происходит спустя несколько микроблоков. При обнаружении ошибки, передача прерывается. Передача данных в сетях сотой связи имеет более низкий приоритет по отношению передачи голосовых данных.
В идеале, мобильная сотовая система связи представляется в виде телефонной трубки. При этом телефонный номер не меняется, где бы не находился абонент. Такая система называется PCS (Personal Communication Services) в США, а в остальном мире - PCN (Personal Communications Network). PCS использует технику сотовой телефонной сети, с размерами сот в пределах 50-100 м в диапазоне частот 1,7-2,3 ГГц. Это позволяет работать с малой выходной мощностью порядка 0,25 Вт и снизить вес аппарата. При этом для покрытия той же области требуется в 40000 раз больше ячеек. Местом размещения базовых станций новой системы являются телеграфные столбы и столбы электросетей.