Беспроводные сети связи

Сожержание 

Введение                                                                                                            2

История развития беспроводных сетей                                                          3

Стандарты беспроводных сетей                                                                      5

Преодоление звукового барьера                                                                      8

Ближайшие перспективы                                                                                10

Безопасность  беспроводных сетей                                                                12

Заключение                                                                                                      15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     В наше время доступ к корпоративной  сети требуется практически каждому  служащему, однако прокладка медного  кабеля повсюду, где это необходимо, - вещь, разумеется, нереальная. Идет ли речь о складе, конференц-зале или  о вашей квартире, лучшее средство для обеспечения бесперебойной  связи - это беспроводная ЛВС. Такие  сети позволяют включить в рабочую  среду каждый квадратный метр университетского городка, офиса или жилого дома. А  с появлением новых услуг для  беспроводных ЛВС, таких, как MobileStar Network, пользователи получают возможность доступа в Интернет из аэропортов и гостиниц.

     Беспроводные  ЛВС существуют уже не один год, но до последнего времени для них  не было разработано общепризнанных стандартов; кроме того, эти системы  с пропускной способностью 1,5 Мбит/с были, мягко говоря, недостаточно скоростными. Поэтому их использовали прежде всего для решения узкоспециальных задач, таких, как организация обмена данными с устройствами для учета товарных запасов на предприятиях розничной торговли. Популярные беспроводные технологии узаконил принятый в 1997 г. американский стандарт IEEE 802.11 “Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications” и аналогичный международный стандарт ISO 8802.11 1998 г. Сейчас основная масса устройств RadioEthernet выпускается в соответствии со стандартом. В то же время появляются все новые модели, превосходящие по характеристикам стандартное оборудование.

     К 2000 году, благодаря появлению нового стандарта IEEE (802.11b), а также стараниями участников консорциума производителей Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) на рынок поступают новые, более дешевые изделия, которые отличаются высоким быстродействием и функциональной совместимостью с продуктами различных поставщиков. Ныне беспроводные технологии позволяют успешно решить проблему расширения зоны действия традиционной проводной сети. И надо сказать, что во многих случаях каналы беспроводной связи могут стать единственной возможностью подключения к ЛВС и выхода в Интернет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История развития беспроводных сетей 

       Первые образцы беспроводного  оборудования были созданы для  диапазона 902—928 МГц. Типовой пример  подобного оборудования — серия  Aironet 1000 со скоростью передачи в канале от 215 до 860 кбит/с по технологии расширения спектра прямой последовательностью — DSSS. На максимальной скорости ширина спектра сигнала составляет около 19 МГц, и в полосе частот 26 МГц удается разместить только один частотный канал. При минимальной скорости 215 кбит/с ширина спектра сигнала около 5 МГц, что позволяет разместить в полосе частот, выделенной для передачи, пять неперекрывающихся частотных каналов (реально 12 перекрывающихся).

     Скорости  передачи в этом диапазоне, казалось бы, достаточны, чтобы удовлетворить  многих пользователей. Однако следует  иметь в виду, что речь идет о  “технической” скорости передачи битов в физическом канале. Кроме  информационной, сообщение должно содержать служебную часть. К тому же необходимо время для установления связи и синхронизации. Реальная скорость передачи информации, как правило, не превышает 70% технической. Следует также учитывать, что по технологии RadioEthernet общая среда передачи в каждый момент времени выделяется в монопольное использование только одному абоненту, т. е. пропускная способность сети для каждого абонента будет меньше 70% “технической” скорости в n раз (где n — количество абонентов). Так, при 10 одновременно работающих абонентах на каждого придется не более 60 кбит/с реальной пропускной способности. Это обстоятельство, а также использование диапазона другими радиосредствами (в частности, сетями сотовой связи GSM-900), создающими помехи сетям RadioEthernet, привело к тому, что беспроводные сети диапазона 902—928 МГц не получили широкого распространения.

     Более удобным оказался диапазон 2400—2483,5 МГц — и по большей пропускной способности, и в смысле меньшего уровня помех от других радиосредств. Следует, правда, оговорить два обстоятельства. Во-первых, в ряде стран разрешено  лишь частичное использование этого  диапазона. Второе обстоятельство связано  с величиной, эквивалентной изотропно  излучаемой мощности (ЭИИМ) сигнала. Ограничения FCC, действующие в США, были перечислены  выше. В Европе Институт стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI) ограничил значение ЭИИМ 100 мВт (20 дБм). Оборудование выпускается исходя из этих ограничений. Если же ЭИИМ больше допустимой — необходимо специальное разрешение. Cитуация не отличается от имеющей место в России, где действует обобщенное решение ГКРЧ о разрешении использования диапазона на вторичной основе, но требуется регистрация оборудования в Госсвязьнадзоре. Принятие в России европейских ограничений существенно упростило бы жизнь операторам беспроводных сетей без какого-либо ущерба другим системам этого диапазона. Никому не приходит в голову требовать регистрации в Госсвязьнадзоре бытовых СВЧ-печей, излучающих паразитный сигнал не меньшей мощности, а беспроводное оборудование с такой же или даже меньшей ЭИИМ подлежит обязательной регистрации.

     Вплоть  до 1997 г. каждый изготовитель выпускал оборудование этого диапазона, не сдерживаемый практически никакими ограничениями, кроме частотно-энергетических. Беспроводным системам, однако, все еще недоставало важнейшего элемента - стандартов. Стандарты стабилизируют продукцию, сокращают расходы на исследования и разработки, что в конечном итоге приводит к снижению цены. Совместная работа изделий различных производителей тоже невозможна без стандартов, обеспечивающих совместимость продукции независимых компаний и организаций.

     Еще с 1990 года, рабочая группа IEEE 802.11 сосредоточила  усилия на разработке необходимых стандартов.

     В запросе на разрешение проекта (Project Authorization Request - PAR), представленном IEEE в мае 1991 года для организации рабочей группы, говорится: "Цель предложенного стандарта (на беспроводные сети) - разработка спецификации для беспроводного соединения стационарных, портативных и мобильных станций локальной сети". И далее: "Стандарт предназначен для обеспечения беспроводного соединения автоматической аппаратуры и оборудования или станций для быстрого развертывания, которые могут быть и портативными, и переносными, и расположенными на мобильных объектах в пределах локальной области".

       Последний черновой вариант стандарта  был представлен в ноябре 1995. Представление  в ISO произошло в марте 1996. Первые  комплексные испытания - в марте  1996, окончательные комплексные испытания  - в июле 1996.Как и у других  стандартов серии 802, главной функцией  стандарта 802.11 является обеспечение  работы устройств обслуживания  передачи данных для доступа  к среде передачи (MSDU) на уровне  протокола управления логическим  каналом. Иными словами, стандартизованное  оборудование осуществит передачу  пакетов данных между сетевыми  платами без проводов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Стандарты беспроводных сетей 

     Современное состояние беспроводной связи определяется ситуацией со стандартом IEEE 802.11. Разработкой  и совершенствованием стандарта  занимается рабочая группа по беспроводным локальным сетям (Working Group for Wireless Local Area Networks) комитета по стандартизации Института Инженеров Электротехники и Электроники (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) под председательством Вика Хэйса (Vic Hayes) из компании Lucent Technologies. В группе около ста членов с решающим и около пятидесяти с совещательным голосом; они представляют практически всех изготовителей оборудования, а также исследовательские центры и университеты. Четыре раза в год группа собирается на пленарные заседания и принимает решения по совершенствованию стандарта.

     Стандарт  определяет один тип протокола доступа  к среде MAC-уровня и три различных  протокола для физических (PHY) каналов.

     На MAC-уровне определяются базовые составляющие архитектуры сети и перечень услуг, предоставляемых этим уровнем. Предусмотрено  два типовых варианта архитектуры  беспроводных сетей:Независимая конфигурация “ad-hoc”, когда станции могут связываться непосредственно друг с другом. Площадь такой сети и функциональные возможности ограничены. Инфраструктурная конфигурация, при которой станции связываются через точку доступа, либо работающую автономно, либо подключенную к кабельной сети. Стандарт определяет интерфейс радиоканала между станциями и точкой доступа. Точки доступа могут соединяться между собой с помощью радиомостов или сегментов кабельной сети. В стандарте зафиксирован протокол использования единой среды передачи, получивший название Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA). Вероятность конфликтов для беспроводных узлов минимизируется путем предварительной отправки всем узлам короткого сообщения (ready to send, RTS) об адресате и продолжительности предстоящей передачи. Узлы задерживают передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приемная станция отвечает на RTS посылкой (CTS), по которой передающий узел узнает, свободна ли среда и готов ли узел к приему. После приема пакета данных узел передает подтверждение (ACK) безошибочного приема. Если ACK не получено, пакет данных будет передан повторно.Предусмотренная стандартом спецификация предписывает разбиение данных на пакеты, снабженные контрольной и адресной информацией. После этой информации, занимающей около 30 байт, следует информационный блок длиной до 2048 байт. Затем следует 4-байт CRC-код информационного блока. Стандарт рекомендует использовать пакеты длиной 400 байт для физического канала типа FHSS и 1500 или 2048 для канала DSSS.

     В стандарте предусмотрено обеспечение  безопасности данных, включающее аутентификацию (для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней) и шифрование данных по алгоритму RC4 с 40-разрядным ключом. Для портативных компьютеров стандарт предусматривает режим энергосбережения: перевод устройства в “дремлющий” режим и вывод его из этого состояния на непродолжительное время, необходимое для приема служебного сигнала от узлов сети, начинающих передачу. Предусмотрен также режим роуминга, позволяющий мобильному абоненту передвигаться между точками доступа без потери связи.

     На  физическом уровне стандарт допускает  использование одного из двух типов  радиоканалов и одного типа канала инфракрасного диапазона. Оба типа радиоканалов используют технологию расширения спектра, приводящую к уменьшению среднего значения спектральной плотности мощности сигнала благодаря распределению  энергии в полосе частот, более  широкой, чем необходимо для обеспечения  заданной скорости передачи. Эта технология позволяет уменьшить уровень  создаваемых помех и обеспечивает повышенную помехоустойчивость приема.

     Первый тип радиоканала — Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Radio PHY. Предусмотрена скорость передачи 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с). Версия 1 Мбит/с использует двухуровневую гауссову частотную модуляцию (2GFSK), а версия 2 Мбит/с — четырехуровневую (4GFSK). При скорости 1 Мбит/с частота сигнала изменяется на длительности символа сообщения, равной 1 мкс, по гауссову закону от номинального значения до значения +170 кГц и возвращается к номинальному значению. Для передачи нуля частота сигнала изменяется на величину –170 кГц. Для скорости 2 Мбит/с предусмотрено четыре уровня отклонения частоты (+225, +75, –75, –225 кГц), поэтому каждая элементарная посылка (символ) переносит два бита сообщения. Ширина спектра сигнала при такой модуляции равна 1 МГц, независимо от скорости передачи. Это дает возможность использовать для передачи 79 частотных позиций в диапазоне от 2402 до 2480 МГц с шагом 1 МГц. Для расширения спектра частота сигнала изменяется по псевдослучайному закону не реже одного раза в 400 мс.

     Второй тип радиоканала — Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Radio PHY. В этом варианте предусматривается передача со скоростями 1 и 2 Мбит/с. При скорости передачи 1 Мбит/с используется двоичная фазовая манипуляция — Binary Phase Shift Keying (BPSK). Единичный бит представляется 11-элементным кодом Баркера вида 11100010010, а нулевой бит — инверсным кодом Баркера. Элементарные символы кода Баркера не переносят информации, биты передаются сразу всем кодом Баркера — прямым или инверсным. Это позволяет придать сигналу свойства шума, обеспечивающие помехоустойчивость. Ширина спектра такого сигнала составляет 22 МГц. Для скорости 2 Мбит/с стандарт предусматривает квадратурную фазовую манипуляцию — QPSK. На длительности символа сообщения в этом случае передаются два бита. Для этого необходимо уже не два, а четыре различных сигнала. Поэтому вместе с основным несущим колебанием используется дополнительное, сдвинутое относительно него по фазе на 90°. Фаза каждого из этих колебаний управляется прямой или инверсной последовательностью Баркера, и оба колебания складываются. Таким образом, на длительности символа сигнал имеет четыре степени свободы, позволяющие передавать два бита. При этом скорость передачи увеличивается вдвое при сохранении той же полосы частот, что и при двоичной передаче. Для передачи сигнала DSSS используется одна из 14 перекрывающихся частотных полос, определенных стандартом в общей полосе частот 83,5 МГц.

     Для инфракрасного канала (Infrared PHY) стандарт предусматривает скорость 1 Мбит/с (факультативно 2 Мбит/с) с импульсно-позиционной модуляцией. Большого интереса этот тип канала не представляет, поскольку дальность передачи, предусмотренная стандартом, не превышает 20 м.