Беспроводные технологии. Классификация беспроводных технологий

Технические информационные средства постоянно совершенствуются, а производители стремятся вложить в них как можно больше комфорта для потребителя. В настоящее время практически все электронные устройства имеют как минимум один интерфейс для передачи данных. Благодаря этому их можно связать в общую локальную сеть внутри квартиры.

Рассмотрим краткий обзор ее возможностей и советы, которые облегчат работу домашнему мастеру по созданию проводных и беспроводных каналов связи, обеспечат надежную работу всех устройств домашней сети интернет.

Назначение домашней сети

Благами объединения различных электронных устройств в единую информационную систему мы с вами постоянно пользуемся, даже не замечая этого, когда:

• ищем информацию в сети интернет с электронных устройств;
• смотрим фильм или телепередачу на телевизоре через интернет;
• печатаем фотографии напрямую со смартфона на принтере;
• в отсутствии хозяина квартиры;
• анализируем происходящие в квартире события в реальном масштабе времени по IP-камерам;
• или выполняем другие операции.

Этот неполный перечень возможностей, которые предоставляет нам объединение различных устройств в единую сеть, можно значительно расширить.

Виды домашних сетей

На практике используются два вида обмена информацией по:

1. радиоканалу (беспроводное соединение);
2. специальному кабелю (проводной сети Ethernet).

Возможно использование обоих видов в единой сети, где одно оборудование работает без проводов, а другое - за счет подсоединения предназначенным для этих целей кабелем.

Каждый вид связи имеет свои достоинства и недостатки.

Беспроводное соединение

Для передачи информации по радиоканалам внутри дома используются технологии:

• Wi-Fi.

Они обладают различными возможностями.

Спецификация Bluetooth позволяет осуществлять беспроводную радиосвязь между портативными устройствами, поддерживающими этот вид связи.

В технологию передачи заложено использование радиоволн с непостоянной, быстроменяющейся частотой, которую знают только передатчик и приемник.

Этим обеспечивается как защита от помех, возникающих от работы нескольких близко расположенных устройств, так и безопасность передачи данных.

В домашних условиях Bluetooth применяется чаще всего для подключения к портативным устройствам гарнитуры, мышки или клавиатуры, реже принтеров, фотоаппаратов и другой совместимой техники.

Wi-Fi как альтернатива Ethernet

Беспроводное соединение Wi-Fi получает в последнее время все большее распространение благодаря отсутствию привязки к проводам.

Практически все современные девайсы имеют встроенное оборудование для использования беспроводных технологий.

Основные отличия по передаче данных посредством проводного Ethernet соединения с беспроводными радиоканалами Wi-Fi сведены в таблицу.

Как видно из таблицы, расстояния для передачи сигнала и скорости обмена данными по беспроводной технологии хуже. Но, величины обеих характеристик вполне достаточны для работы внутри помещения.

С точки зрения обеспечения безопасности передачи информации у беспроводного Wi-Fi также имеются проблемы. Однако защита домашней сети не всегда имеет первостепенное значение. Поэтому отдельные пользователи даже не вникают в этот вопрос либо по незнанию, либо просто считая, что им нечего защищать.

В целом же беспроводный Wi-Fi уступает по характеристикам проводному Ethernet, но его удобства и мобильность обеспечивают широкое применение среди бытовых электронных девайсов.

Проводное соединение

Этот метод требует больше затрат на приобретение дополнительного оборудования и прокладку кабеля в кабель-каналах, что влияет .

Следует учитывать, что провода, расположенные рядом с оборудованием, могут путаться друг с другом, создавать беспорядок, снижать безопасность эксплуатации.

Был, правда, придуман один оригинальный способ передачи информации. Он использует каналы бытовой электрической сети 220В за счет подключения к ней PLC-модема. Эта методика позволяет сэкономить средства на прокладке кабеля. Но по ряду причин она не стала развиваться.

Доступ к сети интернет в квартире, частном доме и офисе

В домашних и офисных сетях чаще всего применяется сетевое подключение по проводным каналам за счет технологии Ethernet. Провайдеры, (организации, занимающиеся доступом клиентов к сети интернет) обычно предоставляют свое оборудование (маршрутизатор или модем) абонентам для установки в помещениях.

Оно отличается по конструкции и может иметь:

• единственный порт (разъем для подключения кабеля) или несколько;
• техническую возможность передачи Wi-Fi либо быть без нее;
• дополнительные функции (подключение интернет-ТВ, и другие).

Благодаря этому оборудованию у нас в квартире работает интернет. Чтобы обеспечить к нему подключение по Wi-Fi, достаточно на принимающем электронном устройстве указать:

• сетевое имя;
• ключ (пароль) для доступа в свою сеть.

Оба этих параметра прописываются в модеме.

Для проводной сети чаще всего происходит автоматическое определение параметров оборудования и его подключение (для этого должен быть включен DHCP протокол). Однако в некоторых случаях может потребоваться их настройка.

Вообще, компьютерная локальная сеть не обязательно должна иметь доступ к интернет. Но, учитывая сравнительно дешевые тарифы на подключение и большие возможности расширения пользовательских функций за счет доступа к всемирной паутине в домашних условиях такие сети становятся редкостью.

Технология подключения к интернет от провайдера до абонента

Организация коммутируемого доступа (Dial-UP)

Это довольно «древний» метод подключения, работающий на телефонных сетях с устаревшими координатными АТС. Связь через интернет создается модемом, который дозванивается на станционное оборудование и коммутируется с ним.

Скорость соединения при подобном подключении сильно зависит от качества связи и возникающих помех. Она редко превышает 32-56 Кбит/сек. Сама телефонная линия при этом занята и не может быть использована для разговора.

ISDN (Integrated Services Digital Network)

Такая сеть позволяет одновременно передавать голос и цифровые данные.

В отличии от Dial-Up телефон не будет занят во время подключения к интернет, а его скорость будет на порядок выше.

PON (Passive optical network)

Производиться постепенная замена обычного кабеля на оптоволокно, которое, несмотря на повышенную стоимость, открывает совсем другие возможности.

Технология PON позволяет передавать данные с высокой скоростью от оборудования телекоммуникационной компании до абонента. Качество передаваемого сигнала по оптоволокну на порядок выше чем по обычному кабелю.

WiMAX

Вид беспроводной связи, способной передавать информацию на расстояния в несколько километров на высокой скорости. Предоставляется телекоммуникационными компаниями для доступа к сети интернет своим клиентам, посредством установки базовых станций и оконечного оборудования WiMAX. Эта технология набирает популярность.

Спутниковый интернет

Организация канала доступа через спутник требует:

1. установки специфического спутникового оборудования, настроенного на спутник - антенны «тарелки»;
2. регистрации у провайдера, предоставляющего доступ в интернет, через указанный спутник.

Стоит отметить, что имеется два варианта пользования сетью интернет через спутник:

1. ассиметричная организация канала связи;
2. симметричный канал.

Первый способ дешевле для пользователя. Исходящие запросы пакетов идут отдельным каналом. Это очень незначительный трафик и для него достаточно использовать мобильный интернет, оплачиваемый отдельно.

Прием же запрошенных данных осуществляется через спутниковый канал. Скорость приема и получаемый трафик со спутника получаются значительно выше, чем для исходящих пакетов.

Второй вариант намного дороже. Он предусматривает обмен входящего и исходящего трафика непосредственно через спутник. Неоспоримым преимуществом этого вида подключения является возможность организации доступа к интернет с любой точки земного шара, если используется необходимое оборудование.

Как правило, он используется при необходимости иметь доступ в интернет и отсутствию других вариантов его подключения.

Технология DOCSIS или соединение по ТВ кабелю

Подобный вид подключения используют некоторые операторы кабельного телевидения. Принцип работы такой схемы довольно прост. Кабель коаксиального типа, заведенный в квартиры к абонентам за счет делителя разветвляется на два выхода:

1. один канал работает непосредственно на телевизор;
2. второй выход соединяется через модем, использующий технологию DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications).

Этот модем и раздает затем интернет на принимающие электронные устройства. А в простейшем случае можно вообще использовать специальную компьютерную плату (ТВ-тюнер), поддерживающую эту технологию.

Такой способ не стал широко применяться из-за существенных недостатков:

• ширина канала сильно зависит от количества подключенных абонентов, пользующихся интернет соединением;
• невысокая скорость передачи информации.

Однако операторы кабельного телевидения могут использовать эту возможность для оказания дополнительных услуг своим клиентам.

Мобильный интернет

Главное достоинство этого способа - интернет всегда под рукой, но он ограничен пределами действующей сети оператора мобильной связи. Подключение реализуется через встроенный модем мобильного устройства (телефона, смартфона, коммуникатора, планшета) либо за счет работы отдельного USB-модема.

Мобильный интернет использует один из видов технологий:

• GPRS,
• EDGE,

Даже несмотря на низкую скорость передачи информации (GPRS - до 40 Кбит/с, EDGE - до 236 Кбит/сек, 3G - до 3,6 Мбит/сек, и лишь 4G - около 100 Мбит/сек) этот вид доступа в интернет пользуется популярностью.

Рассмотренный перечень способов передачи данных лучше всего отвечает интересам домашнего мастера по обеспечению связи через сеть интернет. Остальные методы больше подходят для офисных организаций.

Страница 47 из 47 Беспроводная передача данных

Беспроводная передача данных

Беспроводная связь стала использоваться для общения между людьми ненамного позже, чем проводная. Уже в 90-х годах 19 века были проведены первые эксперименты по передаче телеграфных сообщений с помощью радиосигналов, а в 20-е годы 20 века началось применение радио для передачи голоса.

Сегодня существует большое число беспроводных телекоммуникационных систем, в том числе не только широковещательных, таких как радио или телевидение. Беспроводные системы также широко используются как транспортное средство для передачи дискретной информации. Для создания протяженных линий связи используются радиорелейные и спутниковые системы, существуют также беспроводные системы доступа к сетям операторов связи и беспроводные локальные сети.

Беспроводная среда, для которой сегодня в основном используется микроволновый диапазон, отличается высоким уровнем помех, которые создают внешние источники излучения, а также многократно отраженные от стен и других преград полезные сигналы. Поэтому в беспроводных системах связи применяют различные средства для снижения влияния помех. В арсенал таких средств входят коды прямой коррекции ошибок и протоколы с подтверждением доставки информации. Эффективным средством борьбы с помехами является техника расширенного спектра, разработанная специально для беспроводных систем.

Преимущества беспроводных коммуникаций

Возможность передавать информацию без проводов, привязывающих (в буквальном смысле этого слова) абонентов к определенной точке пространства, всегда была очень привлекательной. И как только технические возможности становились достаточными для того, чтобы новый вид беспроводных услуг приобрел две необходимые составляющие успеха - удобство использования и низкую стоимость, - успех ему был гарантирован.

Последнее тому доказательство - мобильная телефония. Первый мобильный телефон был изобретен еще в 1910 году Ларсом Магнусом Эрикссоном (Lars Magnus Ericsson). Этот телефон предназначался для автомобиля и был беспроводным только во время движения. Однако в движении им нельзя было пользоваться, для разговора нужно было остановиться, выйти из автомобиля и с помощью длинных жердей присоединить телефон к придорожным телефонным проводам Понятно, что определенные неудобства и ограниченная мобильность воспрепятствовали коммерческому успеху этого вида телефонии.

Прошло много лет, прежде чем технологии радиодоступа достигли определенной степени зрелости и в конце 70-х обеспечили производство сравнительно компактных и недорогих радиотелефонов. С этого времени начался бум мобильной телефонии, который продолжается в настоящее время.

Беспроводная связь не обязательно означает мобильность. Существует так называемая фиксированная беспроводная связь, когда взаимодействующие узлы постоянно располагаются в пределах небольшой территории -, например определенного здания. Фиксированная беспроводная связь применяется вместо проводной, когда по какой-то причине невозможно или невыгодно использовать кабельные линии связи. Причины могут быть разными. Например, малонаселенная или труднодоступная местность - болотистые районы и джунгли Бразилии, пустыни, крайний Север или Антарктида еще не скоро дождутся своих кабельных систем. Другой пример - здания, имеющие историческую ценность, стены которых непозволительно подвергать испытанию прокладкой кабеля. Еще один часто встречающийся случай использования фиксированной беспроводной связи - получение доступа к абонентам, дома которых уже подключены к точкам присутствия существующих уполномоченных операторов связи. Наконец, организация временной связи, например, при проведении конференции в здании, в котором отсутствует проводной канал, имеющий скорость, достаточную для качественного обслуживания многочисленных участников конференции.

Беспроводная связь уже достаточно давно используется для передачи данных. До недавнего времени большая часть применений беспроводной связи в компьютерных сетях была связана с ее фиксированным вариантом. Не всегда архитекторы и пользователи компьютерной сети знают о том, что на каком-то участке пути данные передаются не по проводам, а распространяются в виде электромагнитных колебаний через атмосферу или космическое пространство. Это может происходить в том случае, когда компьютерная сеть арендует линию связи у оператора первичной сети, и отдельный канал такой линии является спутниковым или наземным СВЧ-каналом.

Начиная с середины 90-х годов достигла необходимой зрелости и технология мобильных компьютерных сетей. С появлением стандарта IEEE 802.11 в 1997 году появилась возможность строить мобильные сети Ethernet, обеспечивающие взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся и оборудованием какого производителя они пользуются.

Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, однако это не всегда верно. Беспроводная связь использует широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц до видимого света, частота которого составляет примерно 8 х 10 14 Гц.

Беспроводная линия связи

Беспроводная линия связи строится в соответствии с достаточно простой схемой.

Каждый узел оснащается антенной, которая одновременно является передатчиком и приемником электромагнитных волн. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере или вакууме со скоростьюво всех направлениях или же в пределах определенного сектора.

Направленность или ненаправленность распространения зависит от типа антенны. На рис. показана параболическая антенна, которая является направленной. Другой тип антенн - изотропные антенны, представляющие собой вертикальный проводник длиной в четверть волны излучения, являются ненаправленными. Они широко используются в автомобилях и портативных устройствах. Распространение излучения во всех направлениях можно также обеспечить несколькими направленными антеннами.

Так как при ненаправленном распространении электромагнитные волны заполняют все пространство (в пределах определенного радиуса, определяемого затуханием мощности сигнала), то это пространство может служить разделяемой средой. Разделение среды передачи порождает те же проблемы, что и в локальных сетях, однако здесь они усугубляются тем, что пространство в отличие от кабеля является общедоступным, а не принадлежит одной организации.

Кроме того, проводная среда строго определяет направление распространения сигнала в пространстве, а беспроводная среда является ненаправленной.

Для передачи дискретной информации с помощью беспроводной линии связи необходимо модулировать электромагнитные колебания передатчика в соответствии с потоком передаваемых битов. Эту функцию осуществляет DCE-устройство, располагаемое между антенной и DTE-устройством, которым может быть компьютер, коммутатор или маршрутизатор компьютерной сети.

Диапазоны электромагнитного спектра

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут рас­пространяться в пространстве (даже в вакууме). Это явление было предсказано британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (James Clerk Maxwell) в 1865 году. Первый эксперимент, при котором их можно было наблюдать, поста­вил немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz) в 1887 году.

Характеристики беспроводной линии связи - расстояние между узлами, территория охвата, скорость передачи информации и т. п. - во многом зависят от частоты используемого электромагнитного спектра (частота f и длина волны X связаны соотношением).

На рис. показаны диапазоны электромагнитного спектра. Можно сказать, что они и соответствующие им беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы.

□ Диапазон до 300 ГГц имеет общее стандартное название - радиодиапазон. Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов (они показаны на рисунке), начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF). Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определенное в стандартах, однако чаете) используемое название широковещательное радио. Сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FM-диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобит в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19200 Кбит/с.

Несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц имеют также нестандартное название микроволновых диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL).

Выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микроволновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то системы инфракрасных волн используются для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.

В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.

Распространение электромагнитных волн

Количество информации, которое может переносить электромагнитная волна, связано с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрастать восьмикратно на высоких частотах.

Перечислим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волн, связанные с частотой излучения.

Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации.

Чем выше частота, тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные радиоволны AM-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходится комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал.телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не прохода передачу прямой видимостью (Line Of Sight, LOS).

Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстояниеям от источника. При. распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала.

Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли. Именно поэтому сигналы АМ-радио могут передаваться на расстояния в сотни километров.

Сигналы частот от 2 до 30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут распространяться даже на более значительные расстояния, в несколько тысяч километров: (при достаточной мощности передатчика).

Сигналы в.диапазоне выше: 30 МГц распространяются только только по прямой, то есть являются сигналами прямой видимости. При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает неприятность - они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман может стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых систем. Недаром испытания лазерных систем передачи данных часто проводят в Сиэтле, городе, который известен своими туманами:

Потребность в скоростной передаче информации является превалирующей, поэтому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.

Для успешного использования микроволнового диапазона необходимо также учитывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распространяющихся в режиме прямой видимости и встречающих на своем пути препятствия.

На рис. показано, что сигнал, встретившись с препятствием, может распространяться в соответствии с тремя механизмами : отражением, дифракцией и рассеиванием.

Когда сигнал встречается с препятствием, которое частично прозрачно для данной длины волны и в то же время размеры которого намного превышают длину волны, то часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны микроволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому они частично отражаются от стен домов при передаче сигналов в городе. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пластину) также намного большего размера, чем длина волны, то происходит дифракция - сигнал как бы огибает препятствие, так что такой сигнал можно получить, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встречес препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал рассеивается, распространяясь под различными углами.

В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются при беспроводной связи в городе, приемник может получить несколько копий одного и того же сигнала. Такой эффект называется многолучевым распространением сигнала. Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку один из сигналов может прийти с обратной фазой и подавить основной сигнал.

Так как время распространения сигнала вдоль различных путей будет в общем случае различным, то может также наблюдаться и межсимвольная интерференция, ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника одновременно.

Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала, этот эффект называется многолучевым замиранием. В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!

Все эти искажения сигнала складываются с внешними электромагнитными помехами, которых в городе довольно много. Достаточно сказать, что в диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые печи.

Отказ от проводов и обретение мобильности приводят к высокому уровню помех в беспроводных линиях связи. Если интенсивность битовых ошибок (ВЕЯ) в проводных линиях связи равна, то в беспроводных линиях связи она достигает величины!

Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют специальные методы кодирования, распределяющие энергию сигнала в широком диапазоне частот. Кроме того, передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких башнях, чтобы избежать многократных отражений. Еще одним способом является применение протоколов с установлением соединений и повторными передачами кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволяют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP.

Лицензирование

Итак, электромагнитные волны могут распространяться во всех направлениях на значительные расстояния и проходить через препятствия, такие как стены домов. Поэтому проблема совместного использования электромагнитного спектра является весьма острой и требует централизованного регулирования. В каждой стране есть специальный государственный орган, который (в соответствии с рекомендациями ITU) выдает лицензии операторам связи на использование определенной части спектра, достаточной для передачи информации по определенной технологии. Лицензия выдается на определенную территорию, в пределах которой оператор монопольно использует закрепленный за ним диапазон частот.

При выдаче лицензий правительственные органы руководствуются различными стратегиями. Наиболее популярными являются три: конкурс, лотерея, аукцион.

Участники конкурса - операторы связи - разрабатывают детальные предложения. В них они описывают их будущие услуги, технологии, которые будут использоваться для реализации этих услуг, уровень цен для потенциальных клиентов и т. п. Затем комиссия рассматривает все предложения и выбирает оператора, который в наилучшей степени будет соответствовать общественным интересам. Сложность и неоднозначность критериев выбора победителя в прошлом часто приводили к значительным задержкам в принятии решений и коррупции среди государственных чиновников, поэтому некоторые страны, например США, отказались от такого метода. В то же время в других странах он все еще используется, чаще всего для наиболее значимых для страны услуг, например развертывания современных систем мобильной связи 3G.

Лотерея - это наиболее простой способ, но он также не всегда приводит к справедливым результатам, поскольку в лотерее могут принимать участие и «подставные» операторы, которые не собираются вести операторскую деятельность, а хотят просто перепродать лицензию.

Аукционы сегодня являются достаточно популярным способом выявления обладателя лицензии. Они отсекают недобросовестные компании и приносят немалые доходы государствам. Впервые аукцион был проведен в Новой Зеландии в 1989 году. В связи с бумом вокруг мобильных систем 3G многие государства хорошо пополнили свои бюджеты за счет подобных аукционов.

Существуют также три частотных диапазона, 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые рекомендованы ITU как диапазоны для международного использования без лицензирования. Эти диапазоны предназначены для использования промышленными товарами беспроводной связи общего назначения, например устройствами блокирования дверей автомобилей, научными и медицинскими приборами. В соответствии с назначением эти диапазоны получили название ISM -диапазонов (Industrial, Scientific, Medical - промышленность, наука, медицина). Диапазон 900 МГц является наиболее «населенным». Это и понятно, низкочастотная техника всегда стоила дешевле. Сегодня активно осваивается диапазон 2,4 ГГц, например, в технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth. Диапазон 5 ГГц только начал осваиваться, несмотря на то, что он обеспечивает более высокие скорости передачи данных.

Обязательным условием использования этих диапазонов на совместной основе является ограничение максимальной мощности передаваемых сигналов уровнем 1 Ватт. Это условие ограничивает радиус действия устройств, чтобы их сигналы не стали помехами для других пользователей, которые, возможно, задействуют этот же диапазон частот в других районах города.

В России для гражданской радиосвязи выделены три диапазона частот:

27 МГц (гражданский диапазон), с разрешённой выходной мощностью передатчика до 10 Вт;

433 МГц (LPD), выделено 69 каналов для носимых радиостанций с выходной мощностью передатчика не более 0,01 Вт;

446 МГц (PMR), выделено 8 каналов для носимых радиостанций с выходной мощностью передатчика не более 0,5 Вт.

Существуют также специальные методы кодирования, которые уменьшают взаимное влияние устройств, работающих в ISM-диапазонах.

Инфракрасные и миллиметровые волны

Инфракрасное и миллиметровое излучения без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях. Дистанционные пульты управления для телевизоров, видеомагнитофонов и стереоаппаратуры используют инфракрасное излучение. Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но имеют один важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твердые объекты (попробуйте встать между телевизором и пультом).

С другой стороны, тот факт, что инфракрасные волны не проходят сквозь стены, является также и положительным. Ведь это означает, что инфракрасная система в одной части здания не будет интерферировать с подобной системой в соседней комнате - вы, к счастью, не сможете управлять со своего пульта телевизором соседа. Кроме того, это повышает защищенность инфракрасной системы от прослушивания по сравнению с радиосистемой. По этой причине для использования инфракрасной системы связи не требуется государственная лицензия, в отличие от радиосвязи (кроме диапазонов ISM). Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Связь в видимом диапазоне

Ненаправленные оптические сигналы использовались в течение нескольких веков. Герой американской войны за независимость Пол Ревер (Paul Revere) в 1775 году в Бостоне использовал двоичные оптические сигналы, информируя с колокольни Старой Северной церкви (Old North Church) население о наступлении англичан. Более современным приложением является соединение локальных сетей в двух зданиях при помощи лазеров, установленных на крышах. Связь с помощью когерентных волн лазера является сугубо однонаправленной, поэтому для двусторонней связи необходимо на каждой крыше установить по лазеру и по фотодетектору. Такая технология позволяет организовать связь с очень высокой пропускной способностью при очень низкой цене. Кроме того, такая система довольно просто монтируется и, в отличие от микроволновой связи, не требует лицензии FCC (Федеральной комиссии связи США).

Узкий луч является сильной стороной лазера, однако он создает и некоторые проблемы. Чтобы попасть миллиметровым лучом в мишень диаметром 1 мм на расстоянии 500 м, требуется снайперское искусство высочайшей пробы. Обычно на лазеры устанавливаются линзы для небольшой расфокусировки луча.

Недостатком лазерного луча является также неспособность проходить сквозь дождь или густой туман, хотя в солнечные ясные дни он работает прекрасно. Тем не менее, автор однажды присутствовал на конференции в современной европейской гостинице, где организаторы заботливо предоставили комнату, полную терминалов, чтобы участники конференции могли читать свою электронную почту во время скучных презентаций. Поскольку местная телефонная станция не желала устанавливать большое количество телефонных линий всего на три дня, организаторы установили лазер на крыше и нацелили его на здание университетского компьютерного центра, который находится на расстоянии нескольких километров. В ночь перед конференцией они проверили связь - она работала прекрасно. В 9 часов следующего утра, в ясный солнечный день связь была полностью потеряна и отсутствовала весь день. Вечером организаторы опять тщательно проверили связь и снова убедились в ее прекрасной работе. На следующий день связи опять не было.

Когда конференция закончилась, организаторы обсудили эту проблему. Как выяснилось, в дневное время солнце нагревало крышу, горячий воздух от нее поднимался и отклонял лазерный луч, начинавший танцевать вокруг детектора. Этот эффект можно наблюдать невооруженным глазом в жаркий день на шоссе или над горячим радиатором автомобиля. Борясь с этим эффектом, астрономы располагают свои телескопы высоко в горах, подальше от атмосферы.

Спутниковые системы

Спутниковая связь используется для организации высокоскоростных микроволновых протяженных линий. Так как для таких линий связи нужна прямая видимость, которую из-за кривизны Земли невозможно обеспечить на больших расстояниях, то спутник как отражатель сигнала является естественным решением этой проблемы.

Идея использовать искусственный спутник Земли для создания линий связи появилась задолго до запуска в 1957 году первого такого спутника Советским Союзом. Писатель-фантаст Артур Кларк продолжил дело Жюля Верна и Герберта Уэллса, которым удалось описать много технических изобретений до их появления. Кларк в 1945 году описал геостационарный спутник, который висит над одной точкой экватора и обеспечивает связью большую территорию Земли.

Первый спутник, запущенный Советским Союзом в годы холодной войны, обладал очень ограниченными телекоммуникационными возможностями - он только передавал радиосигнал «бип-бип», извещая мир о своем присутствии в космосе. Однако успех России в космосе подхлестнул усилия Америки, и в 1962 году она запустила первый телекоммуникационный спутник Telstar-1, который поддерживал 600 голосовых каналов.

В настоящее время функции спутника как телекоммуникационного узла, естественно, усложнились. Сегодня спутник может играть роль узла первичной сети, а также телефонного коммутатора и коммутатора/маршрутизатора компьютерной сети. Для этого аппаратура спутников может взаимодействовать не только с наземными станциями, но и между собой, образуя прямые космические беспроводные линии связи. Принципиально техника передачи микроволновых сигналов в космосе и на Земле не отличается, однако у спутниковых линий связи есть и очевидная специфика - один из узлов такой линии постоянно находится в полете, причем на большом расстоянии от других узлов.

Спутникам связи присущи определенные свойства, делающие их чрезвычайно привлекательными для самых разных областей применения. Проще всего пред­ставить себе спутник связи в виде своего рода огромного микроволнового повто­рителя, висящего в небе. Он включает в себя несколько транспондеров, каждый из которых настроен на определенную часть частотного спектра. Транспондеры усиливают сигналы и преобразуют их на новую частоту, чтобы при отправке на Землю отраженный сигнал не накладывался на прямой.

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

Обзор беспроводных технологий связи

В настоящее время технология беспроводной связи переживает настоящий бум своего развития. В основном это связано с прочным входом в нашу жизнь смартфонов, планшетных компьютеров и нетбуков, которые для полноценного использования требуют постоянный доступ к сети интернет, в том числе и при движении.

Кроме этого, в промышленности, сельском хозяйстве ну и естественно в военной сфере назревает необходимость в организации надежных систем управления распределенными объектами и объединение их в глобальную сеть. Подобные тенденции наблюдаются во всем мире и ведут к неминуемому развитию беспроводных технологий связи.

Подтверждению этому служит огромное количество статей и аналитических обзоров, которые выдаются в поисковых системах по запросу сетецентрические технологии и системы.

Термин сетецентризм подразумевает под собой наличие единого информационного пространства, максимизации ситуационной осведомлённости всех входящих в него абонентов и непрерывности взаимодействия. Что естественным образов подразумевает под собой кардинальный пересмотр отношения к системам связи, в том числе и к беспроводным связям, что неминуемо ведет к их активному развитию и совершенствованию.

В этой статье я проведу краткий обзор существующих коммерческих технологий и стандартов беспроводной связи. Чтобы было проще ориентироваться в большой номенклатуре технологий, введем классификацию по дальности связи и количеству абонентов входящих в беспроводную сеть. Всего введем шесть градации:

1. К персональным беспроводным сетям относятся:

IrDA (Infrared Data Association) , инфракрасный порт – группа стандартов, описывающих протоколы физического и логического уровня передачи данных по оптической линии связи с использованием инфракрасного диапазона световых волн. Сейчас ИК-порты в основном используются в пультах управления. В телефонах, смартфонах, ноутбуках и в другой вычислительной технике их вытеснили такие беспроводные линии связи, как Bluetooth, Wi-Fi и т.д. из-за маленькой дальности, возможности передачи данных только при прямой видимости приемника и передатчика и других особенностей устройства ИК-портов.

Bluetooth – спецификация радиосвязи малого радиуса действия (обычно до 200 метров) в диапазоне частот свободном от лицензирования (ISM-диапазоне: 2,4-2,4835 ГГц). В основу радиосвязи Bluetooth положен алгоритм FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) обеспечивающий псевдослучайную перестройку частот 1600 раз в секунду (раз в 625 Мкс). Для перестройки доступно 79 рабочих частот в диапазоне 1 МГц. В некоторых странах количество выделяемых частот уже, так в Японии, Франции и Испании – 23 частотных канала. Последовательность переключения частот знают только передатчик и приемник, входящие в одну и ту же сеть, которые синхронно переключают рабочие частоты. Для другой пары приемник-передатчик последовательность переключения будет отличаться. Благодаря этому возможна одновременная работа нескольких пар приемник-передатчик в перекрывающихся областях передачи данных.

UWB (Ultra-Wide Band) – технология беспроводной связи на малых дальностях (около 10 метров), использующая на сегодняшней день (01.09.2012) самый широкий диапазон частот для коммерческих устройств связи. Так в США выделен диапазон от 3.1 до 10.6 ГГц, в Евросоюзе от 6 до 8 ГГц, в России от 2,85 до 10 ГГц. Большие проблемы на пути становления этой технологии связаны с пересечением диапазона частот с частотами многих военных и гражданских радаров и других изделий. Однако, благодаря сверхмалой дальности связи и использования малой мощности, сигналы устройств созданных на базе технологии UWB не сказываются на работе военной и гражданской технике использующей те же диапазоны частот. Использование широкого диапазона частот позволяет достичь огромных скоростей, однако скорость очень быстро падает с увеличением дальности. Так на дальности 3 м обеспечивается скорость до 480 Мбит/с. На дальности 10 метров скорость будет уже 110 Мбит/с. Такое большое снижение скорости связано с большим искажением широкополосного сигнала за счет дисперсии электромагнитного изучения.

Wireless USB , беспроводной USB – предназначен для замены проводного USB. Основная задача WUSB обеспечение высокоскоростного обмена на сверхмалых расстояниях и обеспечение взаимодействия персонального компьютера с периферийным оборудованием: сканерами, принтерами, видео и фото камерами, внешними жесткими дисками и так далее. Высокая скорость (до 180 Мбит/с) обеспечивается на расстояниях до 10 метров и критически сильно падает при увеличении расстояния между приемником и передатчиком. Высокая скорость обеспечивается за счет применения широкополосного сигнала по технологии UWB, им же объясняется и малые расстояния передачи данных.

Wireless HD – беспроводная технология передачи данных, в основном предназначенная для передачи HD-видео, однако ничего не мешает использовать ее для организации беспроводной сети. Теоретическая максимальная пропускная способность Wireless HD может достигать 28 Гбит/с на расстоянии до 10 Метров. Столь большую пропускную способность обеспечивает работа с широкополосным сигналом (7 ГГц) при частоте сигнала в районе 60 ГГц. Однако это приносит и существенные проблемы: для передачи сигнала на частоте в районе 60 ГГц требуется, чтобы приемник и передатчик находились в зоне прямой видимости друг-друга, иначе предметы, попавшие между ними, будут прерывать сигнал и передача будет неустойчивой.
Для обеспечения стабильной связи в помещениях, где далеко не всегда есть возможность располагать устройства в зоне прямой видимости, разработчики приложили немало усилий и значительно смягчили жесткие ограничения передачи данных на сверхвысоких частотах. В основном это было обеспечено за счет ввода распределенной системы антенн, которые образуют сеть, позволяющую поддерживать стабильную передачу данных.

WiGig (IEEE 802.11ad.) – технология широкополосной беспроводной связи, работающая в нелицензируемой полосе частот 60 ГГц и обеспечивающая передачу данных до 7 Гбит/с на расстояния до 10 метров. WiGig обратно совместим со стандартом Wi-Fi (IEEE 802.11).
Использование для передачи данных диапазона частот в районе 60 ГГц приводит к быстрому затуханию сигнала и необходимости обеспечения прямой видимости между приемником и передатчиком. Для уменьшения влияния негативных эффектов в WiGig используется узконаправленная передача сигнала, что требует дополнительного времени для установки связи (до нескольких секунд). Если установить связь в зоне прямой видимости не удалось, то технология предусматривает возможность передачи данных на пониженных частотах - 2,4 и 5 ГГц.

WHDi, Wireless Home Digital Interface (Amimon) – беспроводная технология передачи данных, используемая для высокоскоростной передачи данных и оптимизированная для передачи видео высокого разрешения. Технология WHDi позволяет, например, связывать компьютер или ноутбук с монитором без проводов.
Для передачи используется частотный диапазон 5 ГГц обеспечивающий скорость 3 ГБит/с. В WHDi используется специальная технология кодирования «video-modem» обеспечивающая помехозащищенность и защиту от ошибок передачи данных, и как результат высокое качество ретранслируемого видео.

LibertyLink – технология организации беспроводной персональной сети, разработанная компанией Aura. Для передачи информации используется эффект магнитной индукции. Вокруг передатчика образуется магнитное поле, модулированное за счет использования Гауссовского смещения. Приемник, находящийся в магнитном поле, чувствителен к его модуляциям, из-за которых возникает наведенный ток. Изменения силы тока, возникающего в приемнике, преобразуются в данные. Технология LibertyLink позволяет передавать данные со скоростью до ~200 Кб/с на дальности до 3 метров.

DECT/GAP – цифровая усовершенствованная система беспроводной телефонии -технология беспроводной связи, используемая в современных радиотелефонах. Для передачи данных используется частота 1880-1900 МГц в Европе и 1920-1930 МГц в США. Передача данных основывается на методе с использованием нескольких несущих и принципа множественного доступа с разделением времени. Канал разделяется на кадры длительностью 10 мс. Каждый кадр делится на 24 слота, каждый из которых может использоваться для передачи и приема данных. Обычно первые 12 слотов используются для передачи данных, а следующие 12 слотов – для приема. Использование технологии DECT/GAP позволяет получить качественную передачу голоса по беспроводному каналу связи, высокую помехозащищенность, безопасность и защиту от прослушивания, и все это при низком уровни излучения, безопасном для здоровья.

2. К беспроводным сенсорным сетям относятся:

DASH7 – стандарт организации беспроводных сенсорных сетей.
Сенсорная сеть – это сеть миниатюрных вычислительных устройств, снабженных сенсорными датчиками (например, датчиками температуры, давления, движения, освещенности и так далее), приемо-передатчиками сигнала и миниатюрным источником питания. Дальность беспроводной связи зависит от мощности передаваемого сигнала, и с увеличением дальности сильно падает пропускная способность линии связи. Так как сенсорная сеть под собой понимает использование миниатюрных автономных датчиков, то и мощность сигнала сильно ограничена, так как увеличение мощности ведет к сокращению срока автономной работы датчиков.
В стандарте DASH7 используется частота сигнала 433 МГц, находящаяся в нелецензируемом диапазоне частот. При передачи данных на расстояние до 2 км обеспечивается скорость 200 Кб/с. Технология DASH7 открытая и составляет серьезную конкуренцию патентованным технологиям организации беспроводных сенсорных сетей, таких как ZigBee или Z-Wave.

Z-Wave – технология беспроводной радиосвязи, используемая для организации сенсорных сетей. Основное назначения сетей Z-Wave - дистанционное управление бытовой техникой и различными домашними устройствами, обеспечивающими управление освещением, отоплением и другими устройствами для автоматизации управления жилыми домами и офисными помещениями.
Технология Z-Wave обеспечивает передачу данных на расстояние до 30 метров в условиях прямой видимости со скоростью 9,6 кбит/с или 40 кбит/с, при частотах 869.0 МГц в России, 908.42 МГц в США, 868.42 МГц в Европе и т.д.
Так как в домашних условиях и в условиях офиса невозможно обеспечить нахождения всех датчиков сети в прямой видимости друг друга, в стандарте Z-Wave каждый узел или устройство могут ретранслировать данные другим узлам. Таким образом, если требуется передать данные узлу, который находится вне зоны видимости, это можно сделать через цепочку узлов. Причем сети Z-Wave обладают элементами самоорганизации в зависимости от внешних факторов. Например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал будет автоматически передан через цыпочку других узлов сети.

Insteon – комбинированная (частично проводная и частично беспроводная) сенсорная сеть. Для передачи информации используется радиосигнал на частоте 902-924 МГц, обеспечивающий передачу данных на дальности до 45 метров в условиях прямой видимости со средней скоростью 180 бит/с. Для передачи информации по проводу используется электропроводка дома или офиса. Использование комбинированной сети повышает ее надежность и позволяет избежать проблем, связанных с помехами или перекрытиями зон видимости при передаче данных по радиоканалу. Сенсорная сеть Insteon обычно используется для автоматизации дома или офиса. Свое начало берет из США, где была создана для замены сенсорной сети Х10 и откуда перебралась в Европу.

EnOcean - технология организации беспроводных сенсорных сетей, использующая сверхминиатюрные датчики с генераторами электроэнергии, микроконтроллерами и приемо-передатчиками. Использование генераторов электроэнергии и элементов со сверхнизким энергопотреблением, позволяет элементам сети EnOcean работать автономно, практически без элементов питания, очень длительный период времени. Сети EnOcean в основном используются для автоматизации домов и офисов. Технология EnOcean позволяет передавать данные на частоте 868 МГц (для Европы, в других странах частота может отличаться, так как это лицензируемый диапазон частот) со скоростью 120 Кбит/с на расстояния до 300 метров в пределах прямой видимости. Естественно, в помещениях этот показатель значительно меньше и зависит от материалов стен и планировки здания. Каждый элемент сети имеет свой 32-х разрядный идентификационный номер и протокол обмена, защищающий от взаимных помех соседние датчики, что позволяет устанавливать до 4 миллиардов устройств в непосредственной близости друг от друга (по данным с сайта разработчиков технологии) без взаимной интерференции.

ISA100.11a – стандарт организации промышленных сенсорных сетей, сетей датчиков и приводов. Для передачи используется низкоскоростная беспроводная связь с использованием элементов с низким энергопотреблением. Отличительная особенность ISA100.11a от других сенсорных сетей:
– ориентированность на промышленное использование и соответственно специфические требования к прочности, помехозащищенности, надежности и безопасности,
– возможность эмуляции средствами технологии ISA100.11a протоколов уже существующих и проверенных проводных и беспроводных сенсорных сетей.
Обмен данными осуществляется на частоте в районе 2,4 ГГц и скорости порядка 250 кбит/с.

WirelessHART – протокол передачи данных по беспроводной линии связи, разработанный HART Communication Foundation для передачи данных в виде HART сообщений в беспроводной среде. HART – протокол обмена данными для взаимодействия с полевыми датчиками на основе расширяемого набора простых команд «запрос-ответ», передаваемых в цифровом виде по 2-проводной линии. WirelessHART обеспечивает передачу данных со скоростью до 250 кбит/с на расстояние до 200 м (в пределах прямой видимости) при частоте передачи данных в диапазоне 2.4 ГГц.

MiWi – протокол для организации сенсорных и персональных сетей с низкой скоростью передачи данных на небольшие расстояния, основанный на спецификации IEEE802.15.4 для беспроводных персональных сетей. Сеть на базе MiWi может содержать до 1024 узлов, управляемых до 8 координаторами. Каждый координатор может обеспечивать взаимодействие до 127 узлов. Передача данных ведется в диапазоне частот 2.4 ГГц (предусмотрена работа в диапазоне частот 868 МГц и 915 МГц с более низкими скоростями) при скорости до 250 Кб/с.

6LoWPAN – стандарт, обеспечивающий взаимодействие малых беспроводных сетей (частных сетей или сетей датчиков) с сетями IP по протоколу IPv6. Используется в основном для организации сетей датчиков и автоматизации жилого и офисного помещения с возможностью управления через интернет, однако могут использоваться и автономно как простые беспроводные сети датчиков. Передача данных в стандарте 6LoWPAN подразумевает использование субгигагерцового диапазона и обеспечивает скорость передачи от 50 до 200 кбит/с на расстояние до 800 метров.

One-Net – открытый протокол для организации беспроводных сенсорных сетей и сетей автоматизации зданий и распределенных объектов. Позволяет организовывать сети, включающие в себя до 4096 узлов с несколькими координаторами и ретрансляторами, увеличивающими дальность передачи данных. Передача данных обеспечивается на расстояния до 100 метрах в помещении и до 500 метрах на открытых пространствах при скорости передачи данных 28.4 – 230 Кбит/с.

Wavenis – беспроводная технология передачи данных, использующая частоты 433/868/915 МГц и обеспечивающая передачу на расстояние до 1000 м на открытом пространстве и до 200 м в помещении при скорости до 100 Кбит/с. Технологию Wavenis используют для организации персональных сетей и сетей датчиков, так как сверхнизкое потребление приемо-передающих устройств позволяет им работать автономно до 15 лет от одной батарейки.

RuBee – локальная беспроводная сеть, которая, в основном, используется как сеть датчиков. Для передачи данных в RuBee используются магнитные волны, и передача осуществляется на частоте 131 КГц, что обеспечивает скорость всего лишь 1200 бот в секунду на расстояниях от 1 до 30 метров. Однако позволяет значительно снизить энергопотребление и позволяет узлам сети работать автономно в течении нескольких лет от одной батарейки.
Используется сеть, в основном, для специфических целей, не требующих большого быстродействия, но требующих долгой автономной работы и надежной, защищенной связи. Использование низкой частоты позволяет избежать проблем связанных с передачей данных в помещениях, так как сигнал не отражается и не блокируется стенами и другими предметами. Сеть RuBee в США сертифицирована Министерством Обороны и Министерством Энергетики и рекомендована для использования в объектах повышенной опасности.

3. К малым локальным беспроводным сетям относятся:

HiperLAN (High Performance Radio LAN) – стандарт беспроводной связи. Существует две ревизии стандарта: HiperLAN 1 и HiperLAN 2. Стандарт HiperLAN 1 выпущен 1981 году и описывает более медленную линию связи, обеспечивающую скорость передачи данных до 10Мбит/с на расстоянии до 50 метров. В данной ревизии использовался асинхронный режим передачи и механизм множественного доступа, аналогичный используемому в семействе локальных сетей шинного типа со случайным доступом с предотвращением конфликтов.
Выпущенная в 2000 году ревизия стандарта уже описывает более высокоскоростную беспроводную линию передачи данных. HiperLAN 2 использует для передачи данных широкополосный сигнал на частоте в районе 5 ГГц, обеспечивающий скорость передачи данных до 54 Мбит/с на расстоянии до 150 метров. При этом обе ревизии позволяют работать с мобильными объектами, передвигающимися со скоростью до 1.4 м/с (ревизия HiperLAN 1) и до 10 м/с (ревизия HiperLAN 2).

Wi-Fi – торговая марка объединения Wi-Fi Alliance, представляющая собой семейство стандартов спецификации IEEE 802.11 для широкополосной радиосвязи. В зависимости от стандарта, Wi-Fi использует для передачи данных диапазон частот в районе 2,4 ГГц или 5 ГГц и обеспечивает скорость передачи данных от 2 Мбит/с на расстояниях до 200 метров. Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных сетей и беспроводного подключения к Интернету. Wi-Fi одна из самых популярных групп стандартов и повсеместно используется для организации домашних и офисных сетей, публичного доступа к Интернету в гостиницах, кафе, магазинах и в других публичных местах.

Zigbee – технология организации беспроводных сенсорных и персональных сетей. Технология Zigbee обеспечивает невысокое потребление энергии и передачу данных на нелецензируемой частоте 2.4 ГГц (для различных стран частота может отличаться) со скоростью до 250 Кб/с, на расстояние до 75 метров в условиях прямой видимости. Поддерживаются как простые сети типа точка-точка и звезда, так и сложные сети с ретрансляцией и автоматической маршрутизацией, позволяющие передавать данные между двумя узлами, находящимися не в зоне прямой видимости, через цепочку узлов сети.
Сети Zigbee используются как для коммутации отдельных устройств, например, беспроводных наушников или колонок с компьютером или смартфоном, так и для организации сложных сетей по автоматизации управления домом и офисом.

RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access) – технология беспроводной передачи данных с использованием оптического сигнала. Используется для организации полнодуплексных соединений тип точка - точка по стандарту Ethernet, обеспечивая скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстоянии до 1.4 км при примой видимости абонентов. При сложных погодных условиях (снег, дождь, туман) дальность и скорость связи значительно падает, и могут возникать сбои при передаче данных.

4. К большим локальным беспроводным сетям относятся:

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – беспроводная технология передачи данных основанная на стандарте IEEE 802.16. Основное назначение технологии – это высокоскоростная связь на больших расстояний и предоставление доступа в интернет. Существует две ревизии WiMAX, одна из которых (собственно WiMAX) основана на стандарте IEEE 802.16d, а вторая (WiMAX Mobile) основана на стандарте IEEE 802.16e. В разработке находится третья ревизия - WiMax 2, которая будет значительно опережать по скорости и дальности связи первые две ревизии.
WiMAX осуществляет передачу данных на частоте 1,5-11 ГГц со скоростью до 75 Мбит/с на расстояние до 80 км. WiMAX Mobile осуществляет передачу данных на частоте 2,3-13,6 ГГц со скоростью до 40 Мбит/с на расстояние до 5 км. Подробнее об устройстве и принципах работы WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) можно почитать на сайте "Системы и сети" (systemseti.com).

HiperMAN - беспроводная технология передачи данных на базе стандарте IEEE 802.16. Европейская альтернатива технологии WiMAX. HiperMAN специализирован для пакетной передачи данных и организации беспроводных IP-сетей. Имеет характеристики (диапазон частот, скорость и дальность передачи данных) схожие с технологией WiMAX.

WiBro (Wireless Broadband) – беспроводная технология высокоскоростной передачи данных на большие расстояния, основанная на стандарте IEEE 802.16e. Северокорейский аналог технологии WiMAX Mobile. Для передачи данных используется диапазон частот 2,3-13,6 ГГц, при этом в Северной Корее выделен диапазон 2,3-2,4 ГГц. Максимальная пропускная способность базовых станций составляет 30-50 Мбит/с на дальностях до 5 км при движении объекта со скоростью меньше 120 км/ч.

Classic WaveLAN – технология беспроводной связи используемая для организации локальных сетей (беспроводная альтернатива проводных сетей Ethernet и Token Ring). Передача данных осуществляете в диапазоне частот в 900 МГц или 2.4 ГГц, при этом обеспечивается скорость передачи до 2 Мбит/с.

5.1. Мобильная связь поколения 1G

NMT (Nordic Mobile Telephone) – стандарт беспроводной аналоговой сотовой связи, разработанный в 1978 году, однако он и по сей день используется в России, имея покрытие сравнимое с суммарным покрытием всех остальных стандартов сотовой связи. NMT обеспечивает множественный доступ абонентов с частотным разделением на расстояниях свыше 70 км от базовой станции.
Передача сигнала осуществляется в диапазоне частот 450 МГц. При этом для передачи данных от абонента используется диапазон частот 453-457,5 МГц, а для приема данных от базовой станции используется диапазон 463-467,5 МГц. Внутри этих диапазонах используется нарезка на каналы с шагом 12.5 КГц.
Использование частоты в диапазоне 450 МГц приводит к большому количеству помех в больших городах, но большая дальность связи позволяет получить хорошую связь в пригородах и вдали от городов.

AMPS (Advanced Mobile Phone System) - стандарт беспроводной аналоговой сотовой связи используемый с 1983 года. Впервые был применен в США, сейчас используется во многих европейских странах, в том числе и в России (компания Билайн). AMPS обеспечивает множественный доступ абонентов с частотным разделением. Так же как и в стандарте NMT для передачи и для приема данных используются отдельные диапазоны частот, которые нарезаются на каналы (один канал – 30КГц). Всего поддерживается 832 канала. Схема построения сети очень похожа на схему сети GSM, в которой используется сеть базовых станций, размещенных в углах сот, и центров коммутации.

TACS (Total Access Control System) – аналоговая система беспроводной связи, разработанная на базе стандарта AMPS и используемая с 1985 года. Первая сеть была развернута в Англии, затем TACS стали использовать в таких странах как Испания, Ирландия, Австралия, Кении, Кувейте, Малайзии и в некоторых других. С мая 2001 года не используется. В системе TACS использовалась частотная модуляция (FSK). Для передачи от базовой станции использовалась полоса частот 935-950 МГц, для передачи от абонента – 890 - 905 МГц. Общее число каналов 600, с разнос в 25 кГц. Радиус действия одной базовой станции до 20 км. Система связи TACS несколько раз улучшалась. Были введены модификации ETACS, NTACS увеличивающие диапазон частот и число каналов, что позволяло увеличить число одновременно обслуживаемых абонентов и качество связи.

Mobitex – открытый стандарт беспроводной связи на основе коммутации пакетов. Сеть состоит из базовых станций и коммутаторов и представляет собой сотовую сеть для передачи данных и голоса, однако в стандарте Mobitex возможна и коммутация точка-точка между двумя абонентами минуя базовые станции, если они находятся в радиусе действия абонентской аппаратуры. Это несколько разгружает сеть. Для передачи используются диапазоны частот в районе 80, 400, 800 или 900 МГц. Теоретическая максимальная пропускная способность сети - 8 Кбайт/с. Эффективная пропускная способность значительно ниже и зависит от длинны сообщений, загруженности каналов связи и т.д. и в среднем составляет порядка 2 Кбит/с. Разработана в середине 80-х годов. Используется в 23 странах, однако она менее популярна, чем сотовые сети GSM и используется в основном группами быстрого реагирования, пожарными, военными, полицией и т.д.

DataTAC – открытый стандарт беспроводной низкоскоростной связи на основе коммутации пакетов, схож по построение со стандартом Mobitex. Для передачи обычно используется диапазон частот в районе 800 МГц, при этом обеспечивается скорость до 19,2 Кбит/с. В основном используется для передачи данных, например на основе DataTAC организованы пейджинговые сети в Канаде.

5.2. Мобильная связь поколения 2G

GSM (Global System for Mobile Communications) – наиболее распространенный на сегодняшний день (октябрь 2012) стандарт беспроводной цифровой сотовой мобильной связи. Стандарт относится к поколению 2G и обеспечивает разделение каналов по времени и частоте. Передача данных в стандарте возможна в четырех диапазонах частот 450 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Используемый диапазон частот зависит от типа телефона и региона в котором он применяется. Многие телефоны одновременно поддерживают несколько диапазонов, есть и такие, которые поддерживают все четыре возможных диапазона.
Сеть GSM состоит из базовых станций, центров коммуникаций и собственно абонентов – подвижных мобильных станций или просто говоря сотовых телефонов. Базовые станции располагаются в вершинах равносторонних шестиугольников, покрывая шестиугольниками все пространство, в котором должна обеспечиваться сотовая связь. Если посмотреть на схему расположения базовых станций, то она будет напоминать пчелиные соты. Диаметр каждый шестиугольной ячейки (круга в который вписан равносторонний шестиугольник) может доходить до 50 км. Теоретически диаметр может достигать 120 км, но для этого требуются специальные усилители и качество связи может быть неприемлемым.
Абонент передает данные через одну из базовых станции, которая в свою очередь ретранслируют данные через сеть базовых станций к другому абоненту, при этом при переходе абонента из одной ячейки в другую работа с новой базовой станцией обеспечивается без разрыва связи.
Центры коммуникаций обеспечивают взаимодействие между абонентами, устанавливая соединения, и обеспечивают взаимодействие между другими системами радиосвязи.

TDMA (Time Division Multiple Access) – стандарт сотовой беспроводной связи основанный на множественном доступе с разделением по времени. То есть все абоненты сети базирующееся на стандарте TDMA работают в одном диапазоне частот, но при этом каждому абоненту выделяют определенный временной слот, в котором разрешено вещание. Поочередно такой слой выделяют всем активным абонентам, циклически повторяя этот процесс. С увеличением количества активных абонентов снижается пропускная способность канала. Сети на базе TDMA очень популярны и используются более чем в 70 странах мира и продолжают развиваться, занимая второе место по популярности после сетей GSM.

PDC (Personal Digital Cellular) – стандарт, основанный на базе стандарта TDMA и используемый только в Японии. В эксплуатации с 1993 года. Передача сигнала от базовой станции к абоненту осуществляется на частоте 810-888 МГц, а от абонента к базовой станции на частоте 893-958 МГц или на частоте 1477–1501 МГц и1429–1453 МГц соответственно. Ширина одного канала – 25 КГц. Скорость передачи данных составляет 11.2 Кбит/с в трехслотовом варианте стандарта и 5.6 Кбит/с в шестислотовом варианте. Стандарт быстро вытесняется мобильной связью третьего поколения, и 31 марта 2012 года был остановлен последний сервис, использующий этот стандарт.

DAMPS – стандарт цифровой беспроводной мобильной связи с множественным доступом с разделением времени (TDMA) и частотным разделением (FDMA). Для передачи использовались частоты в диапазоне от 825 МГц до 890 МГц. Ширина одного канала для передачи данных - 30 КГц. Последние модификации стандарта по своим возможностям приближались к стандарту GSM, однако на данный момент во всем мире наблюдается переход к более быстрым и емким сетям, обеспечивающим высокоскоростной доступ в интернет, возможность ведения видеоконференций и т.д. Так что этот стандарт активно вытесняется. Например, в России диапазон частот, занимаемый этим стандартом, выделен для цифрового телевидения и с 2010 года сети стандарта DAMPS отключаются. Последняя такая сеть была отключена в октябре 2012 года.

iDEN (integrated Digital Enhanced Network) – технология беспроводной связи разработанная компанией Motorolla в середине девяностых годов. Технология основана на сети GSM и не требует установки дополнительного оборудования, кроме центральных блоков управления. Достаточно установить дополнительное программное обеспечение на базовые станции сети GSM. В основе iDEN лежит стандарт TDMA (Time Division Multiple Access) - множественный доступ с разделение по времени. Передача осуществляется в диапазоне частот 806-825/851-870 МГц, который нарезан на каналы шириной 25 КГц. Данные в канале передаются интервалами по 90 мс. Таким образом, несколько абонентов одновременно могут общаться не только в разных частотных каналах, но и на одном канале, поочередно используя его. Пропускная способность канала достигает 64 Кбит/с. Для передачи голоса используется система кодирования на базе алгоритма VSELP, позволяющая получить качественный звуковой сигнал при небольших нагрузках на канал связи.

5.3. Мобильная связь поколения 2.5G

GPRS (General Packet Radio Service) – технология пакетной радиосвязи, являющаяся надстройкой над стандартом беспроводной цифровой сотовой мобильной связи GSM. При использовании технологии GPRS данные собираются в пакеты, и только затем передается, при этом максимальная теоретическая скорость может достигать 171,2 кбит/с при средней в 50-60 кбит/с, в отличии от GSM сети, обеспечивающей максимум 14,4 Кбит/с. В основном GPRS используется для передачи данных между устройствами в сети GSM и доступа к сети Internet.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) – технология беспроводной передачи данных для сотовой связи, используемая в качестве надстройки в GSM сетях. За счет улучшенного адаптивного алгоритма изменения подстройки модуляции и дополнительных алгоритмов контроля и исправления ошибок увеличивается скорость и надежность передачи данных и уменьшается восприимчивость к помехам. Так, при использовании технологии EDGE, обеспечивается средняя скорость порядка 75 - 130 Кбит/с. При этом, пиковая теоретическая скорость может достигать 474 кбит/с при пакетной передаче данных.

HC-SDMA (High Capacity Spatial Division Multiple Access) или iBurst – технология беспроводной широкополосной передачи данных. На данный момент технология обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит/с для стационарных и мобильных объектов (двигающихся со скоростью до 110 км/ч). Принцип построения схож с сетями GSM, так же поддерживается роуминг между базовыми стациями и обеспечивается бесшовное (безразрывное) покрытие сети для мобильных абонентов. Однако за счет «умной» адаптивной антенной системы значительно эффективнее используется разделение ресурса сети между абонентами и повышается скорость передачи данных. На данный момент (октябрь 2012) iBurst используется в 13 странах: США, Канада, ЮАР, Азербайджан, Норвегия, Ирландия, Малайзия, Ливан, Кения, Танзания, Гана, Мозамбик, Демократическая Республика Конго. В России технология пока не применяется.

CDMA (Code Division Multiplie Access) – группа стандартов сотовой связи, находящиеся в промежуточном положении между вторым (2G) и третьем поколении(3G), так называемое поколение 2.5G. Стандарты CDMA используют метод множественного доступа с кодовым разделением, когда узкополосный сигнал модулируется псевдослучайной цифровой последовательностью, в результате чего получается шумоподобный широкополосный сигнал. При приеме сигнал демодулируется и получается исходный узкополосный сигнал. Модулируя сигнал разными последовательностями можно одновременно осуществлять радиосвязь с несколькими абонентами.

5.4. Мобильная связь поколения 3G

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) – технология сотовой связи третьего поколения (3G), использующая для связи технологию широкополосного множественного доступа с кодовым разделением (WCDMA). UMTS обеспечивает теоретическую пиковую скорость до 21 Мбит/с, однако на практике, на данный момент (конец 2012 года), скорость значительно ниже. Так, от базовой станции к абоненту обеспечивается скорость до 7,2 Мбит/с, а от абонента к базовой станции – всего лишь 384 Кбит/с. Но, в тоже время, это значительно больше, чем обеспечивается в сети второго поколения (2G) – GSM, в которой скорость едва достигает 14,4 Кбит/с. Для передачи данных используется два канал шириной 5 МГц в диапазоне 1885 МГц - 2025 МГц и 2110 МГц - 2200 МГц. Причем первый диапазон используется для передачи данных от абонента к базовой станции, а второй – от базовой станции к абоненту. Так как выделенные по стандарту диапазоны могут пересекаться с уже используемыми, то в некоторых странах они могут отличаться, например, в США используются диапазоны 1710 МГц - 1755 МГц и 2110 МГц - 2155 МГц.

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) – широкополосной вариант стандарта CDMA с гибридной фазовой манипуляцией. Новый стандарт обеспечивает скорость до 2 Мбит/с для стационарных абонентов на небольших удалениях от базовой станции, и до 384 Кбит/с для мобильных объектов двигающихся с большой скоростью. Для трансляции данных в стандарте используется две полосы частот шириной 5 МГц, одна для приема данных от базовых станции, вторая для передачи. Использование широкой полосы, новых алгоритмов кодирования, нового голосового кодека (AMR) делает стандарт WCDMA более быстрым, качественным и надежным по сравнению со своим предшественником – CDMA.

CDMA 2000 – дальнейшее развития стандарта беспроводной связи CDMA. CDMA 2000 состоит из нескольких ревизий: CDMA2000 1X, CDMA2000 1X EV-DO, CDMA2000 1X EV-DO Rev.A, CDMA2000 1X EV-DO Rev.B и других. CDMA2000 1X первый вариант стандарта. Он обеспечивал скорость до 153 кбит/с и относился к мобильной связи второго поколения. CDMA2000 1X EV-DO уже обеспечивал скорость до 2,4 Мбит/с при передачи данных от базовой станции к абоненту и до 153 кбит/с в обратном направлении и относился уже к поколению 3G. В ревизии CDMA2000 1X EV-DO Rev.A скорость передачи была еще увеличена и составила до 3,1 Мбит/с от базовой станции к абоненту и 1,8 Мбит/с обратно. В ревизии B скорости уже составили 4,9 Мбит/с и 2,4 Мбит/с, при этом была введена возможность объединения нескольких частотных каналов, что теоретически может обеспечить скорость 73,5 Мбит/с к абоненту и 27 Мбит/с от абонента. Группа стандартов получила очень широкое распространение и имеет множество модификаций отличающихся способами разделения канала, скоростью передачи, типом кодирования и т.д.

5.5. Мобильная связь поколения 3.5G

HSPA (High-Speed Packet Access) – технология беспроводной широкополосной (5 МГц) пакетной передачи данных, представляющая собой надстройку к мобильным сетям третьего поколения (WCDMA/UMTS) и позволяющая значительно увеличить их базовую скорость. Технология WCDMA позволяет получить теоретическую пиковую скорость от абонента к базовой станции до 5.7 Мбит/c, а от базовой станции к абоненту - 14.4 Мбит/с. На практике, скорости гораздо ниже и не только из-за загруженности сетей, но и из-за ограничений оборудования. Так многие абонентские устройства поддерживают максимальную скорость приема данных всего 7.2 Мбит/с. При дальнейшем усовершенствовании стандарта разработчиками заявлены скорости до 42 Мбит/с от базовой станции и до 12 Мбит/ от абонента.

5.6. Мобильная связь поколения 4G

LTE (Long-Term Evolution) – технология построения беспроводной сети нового поколения, принципиально отличающаяся от сотовых сетей поколения 2G и 3G. В сетях LTE используется технология коммутации пакетов и технология множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA) дающие кардинальные преимущества перед сетями предыдущего поколения с технологиями коммутации каналов и множественного доступа с кодовым разделением. Так теоретическая пропускная скорость от базовой станции к абоненту будет составлять до 300 Мбит/с, а от абонента к базовой станции - до 75 Мбит/с. Это позволит получить принципиально новое качество связи и позволит предоставлять ранее недоступные услуги: просмотр видео онлайн, многопользовательские онлайн игры, организации массовых видеоконференций, системы мониторинга и т.д.

5.7. Другие глобальные беспроводные сети

MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) – беспроводная технология передачи данных, используемая для организации телевещания. Сигнал передается в диапазоне частот 2686-2500 МГц, что обеспечивает ширину канала в 186 МГц и позволяет одновременно передавать до 24 аналоговых каналов (в России используется 8 Мгц на один аналоговый канал). По современным меркам количество каналов небольшое, да и в России перестали выдавать лицензии на вещание в диапазоне частот 2,5-2,7 ГГц, но до сих пор существует несколько вещательных центров MMDS. Изначально MMDS обеспечивает одностороннюю связь (только передачу телевизионного сигнала), однако можно настроить и двухсторонний обмен, но это требует дополнительных затрат, сравнимых с затратами на основную организацию передачи данных, и значительно уменьшает пропускную способность сети.

6. К спутниковой связи относится:

Inmarsat – система спутниковой связи, разработанная в 1979 году и используемая по сей день, для организации связи в удаленных малонаселенных областях, на морском транспорте, для определения положения абонентов, передачи данных и т.д. Это первая система общедоступной мобильной спутниковой связи. Спутниковая группировка системы Inmarsat состоит из девяти спутников, расположенных на геостационарной орбите (из которых 4 основные, а 5 резервные) и обеспечивающих покрытие практически всего земного шара, за исключением полюсов. Вещания спутников осуществляется в диапазоне частот 1.5 ГГЦ на передачу от спутника и 1.6 ГГц на передачу к спутнику. Более подробно диапазон частот, скорость передачи, кодирование и так далее описаны в стандартах, коих на данный момент насчитывается более шести: Inmarsat-A, Inmarsat-C, Inmarsat-D/D+, Inmarsat-M, Inmarsat-phone mini-M, Inmarsat-M4 и др.

Global Star – спутниковая система связи, предназначенная для организации спутниковой связи совместно со стандартными сотовыми сетями, дополняя их и обеспечивая связь с труднодоступными регионами земного шара. Система Global Star состоит из 48 основных и 4 резервных низкоорбитальных спутников, находящихся на круговых орбитах на высоте примерно 1414 км. Система Global Star обеспечивает покрытие земли от 70° южной широты до 70° северной широты. Так же в состав Global Star входят наземные сегменты, обеспечивающие взаимодействие терминалов абонентов с сотовыми сетями. При передачи данных или голоса сигнал от абонента, находящегося не в зоне действия сотовой сети, передается на спутник, откуда ретранслируется в ближайшую наземную станцию, где по стандартными сотовым сетям сигнал передается адресату.

Thuraya – региональная спутниковая система связи, разработанная компанией Boeing Satellite Systems и покрывающая примерно 40% земного шара (в основном Африку, Европу и Азию), в которую входит около 99 стран с общим населением порядка 2,5 миллиардов человек. При этом в состав системы входит всего 2 спутника, обеспечивающих одновременную передачу данных по 13,750 каналам. Основное назначение системы Thuraya - обеспечение спутниковой телефонной связи, причем терминалы абонентов по размеру сопоставимы с обыкновенными сотовыми телефонами и работают как в сотовых сетях, так и в спутниковой системе связи Thuraya. То есть, если абонент находится в зоне действия стандартной сотовой сети, то для трансляции разговора и данных будет использоваться сотовая сеть, как только абонент выйдет из зоны действия сотовой сети, включится режим передачи данных и голоса через спутники системы Thuraya. Так же с помощью сети спутников Thuraya можно определять положение абонента, т.е. использовать систему для навигации.

Iridium – спутниковая система свиязи состоящая из 66 низкоорбитальных спутников, обеспечивающих 100% покрытие Земли, однако в некоторых странах система не работает, например в Венгрии, Польше, Северной Корее и некоторых других странах. Система обеспечивает телефонную связь, передачу данных и коротких сообщений. Терминалы абонентов небольшого размера, сравнимого со стандартными сотовыми телефонами и обеспечивают автоматическое переключение между сотовой и спутниковой связью при выходе из зоны действия сотовых сетей и возвращения обратно.

ICO - система спутниковой связи, разработанная компанией ICO Global Communications и функционирующая с 2002-го года. Система спутниковой связи обеспечивает полнодуплексную передачу данных и голоса на скорости до 9,6 Кбит/с. Система ICO состоит из десяти спутников расположенных на орбите высотой около 10390 км. Терминалы абонентов по размеру и весу чуть больше сотового телефона.

Euteltracs – система спутниковой связи, основное назначение которой управление и контроль транспортными перевозками в Европе. По своей архитектуре и назначению Euteltracs сходyа с Американской спутниковой системой Omnitracs. Система Euteltracs основывается на передачи коротких (до 1900 символов) сообщений, включающих необходимые данные для организации транспортных перевозок. Система Euteltracs состоит из группировки спутников, наземной центральной станций, наземной станций маршрутизации и мобильных терминалов связи. Информационный обмен централизованный и осуществляется через наземную центральную станцию, расположенную во Франции. Одновременно возможно обслуживание 45000 единиц транспорта в 15 странах, в том числе и в России.

Omnitracs – спутниковая система связи для управления и контролем транспортных перевозок, разработанная в США и введенная в эксплуатацию в 1989 году. Назначение и устройство аналогичное спутниковой системы связи Euteltracs, используемой в Европе. Управление системой – централизованное и осуществляется из единого наземного центра управления, обрабатывающего ежедневно несколько миллионов сообщений.

Prodat - спутниковая система связи для наземных объектов. В системе используются алгоритмы и технологии позволяющие уменьшить влияние рельефа местности на качество передаваемого сигнала. Система находится в эксплуатации с 1992 года. Терминалы абонента весьма громоздкие и состоят из трех частей: внешнего блока со всенаправленной антенной диаметром более метра, блока связи и терминала пользователя размером с ноутбук.

Odyssey – спутниковая система связи, обеспечивающая покрытие от 65° южной широты до 75° северной широты и обеспечивающая практически круглосуточное вещание. Основные виду услуг Odyssey: речевая связь, передача коротких сообщений, электронной почты и определение местоположения абонентов. Однако погрешность определения координат очень большая (до 15 км) и значительно уступает спутниковым навигационным системам. Система Odyssey состоит из группировки спутников (12 спутников на средневысотной орбите, на высоте около 10354 км), наземных базовых станций и терминалов пользователей. Стоит отметить, что ретрансляции данных между спутниками невозможна, вся передача ведется через базовые станции.

ACeS (Asia Cellular System) – геостационарная, регионарная система спутниковой связи, созданная в начале 1996 года. В системе используется только один низкоорбитальный спутник - Garuda 1, запущенный в 2000 году с зоной покрытия - Юго-восточная Азия и Индия. Спутник способен обслуживать более 1 миллиона абонентов при 11 000 одновременных телефонных соединений. Стоит отметить, что срок эксплуатации спутника Garuda 1 около 14 лет.

Orbcom – низкоорбитальная система спутниковой связи, предназначенная для передачи коротких сообщений. Первый спутник системы Orbcom был запущен в 1991 году, сейчас спутников – 36 (по данным на 2000 год). Спутники системы Orbcom обеспечивают покрытие всей поверхности Земли. Кроме орбитальной системы спутников в состав Orbcom входят: узловые наземные станции, связанные с региональными центрами управления, и терминалы пользователей. Передача данных осуществляется следующем образом. С терминала пользователя на ближайший спутник передается сообщения. Если в зоне досягаемости спутника находится узловая станция, то спутник ретранслирует данные на нее, откуда они будут переданы в региональной центр, где будет составлен маршрут доставки сообщения абоненту, в том числе с использованием сотовых сетей, ну и собственно будет организована передача данного сообщения. Если в зоне спутника нет узловой станции, то сообщение будет сохранено и передано когда в зону действия попадет узловая станция, что может произойти и через несколько часов после передачи сообщения.

Гонец-Д1М – спутниковая система связи и передачи данных, состоящая из трех низкоорбитальных (1400 км) спутников: двух спутников первого поколения «Гонец-Д1» и модернизированного спутника «Гонец-М», с периодом обращения 114 минут. Так же в состав системы входит наземная инфраструктура, состоящая из Центра управления системой, Центра управления связным комплексом, Центральных и Региональных станций, Центра управления полетом и Баллистического центра. Наземных региональных станций 4 штуки и располагаются они в г. Москве, г. Железногорске (Красноярский край), г. Южно-Сахалинске и на полуострове Тикси. На данный момент спутниковая система связи обеспечивает покрытием всю территорию России и мощности системы, при условии выполнения программы и доведения орбитальной группировки спутников до 14 шт, будет достаточно для обеспечения связью в труднодоступных районах России до 200 000 абонентов. В 2012 году должны были запустить еще 5 спутников «Гонец-М», однако о результатах мне не известно. До 2015 года планируется расширить состав спутников связи до 14 штук.

Полярная звезда – спутниковая система связи, разрабатываемая ОАО «Газпром космические системы». Система «Полярная звезда» предназначена для обеспечения широкополосной мобильной связи на территории России и приполярных областях. Правда использоваться она будет в основном для обеспечения связи и доступа в интернет подвижных и удаленных объектов ОАО «Газпром». На данный момент (2012 год) орбитальная группировка спутников насчитывает четыре космических аппарата, располагающихся на высокоэллиптической орбите.

Глонасс – российская спутниковая навигационная система, состоящая из 31 спутника располагающихся на орбитах на высоте 19100 км, из которых 24 спутника используются по назначению, остальные спутники в резерве или на этапе технического обслуживания, а одни спутник на этапе испытания (по данным на конец 2012 года). Спутниковая система Глонасс обеспечивает определение координат с точностью 3-6 метров при использовании 7-8 спутников. Навигационные устройства абонентов могут одновременно со спутниками навигационной системы Глонасс использовать данные спутников навигационной системы GPS в общем количестве 14-19 спутников, при этом точность определения координат составит 2-3 метра.
Спутники, входящие в систему Глонасс, синхронно выдают сигнал. Устройства абонентов, принимая сигналы от спутников, засекают время получения сигнала от каждого спутника. Зная положения спутников (спутники двигаются по известным орбитам с известной скоростью) и задержки между приемами сигнала от них (чем дальше спутник, тем позже синхронный сигнал будет получен) составляется система уравнений (минимум нужно получить сигнал от четырех спутников) из которой рассчитывается положение устройства абонента. Чем больше спутников участвует в расчете, тем более точно будут определены координаты абонента.

GPS – спутниковая навигационная система, созданная министерством обороны США. GPS состоит из 30 спутников обращающихся вокруг земли по круговым орбитам на высоте порядка 20200 км. На самом деле количество спутников больше, но часть из них находится на техническом обслуживании, но в работе (на конец 2012 года) используется только 30 спутников. Система GPS обеспечивает точность определения координат 2-4 метра при использовании 6-11 спутников. Принцип работы системы GPS и Глонасс схожи, но создание спутниковой системы GPS было начато раньше. Так первый спутник системы GPS был запущен 14 июля 1974 г, а первый спутник системы Глонасс был выведен на орбиту только в 12 октября 1982 года. Так же в систему GPS входит больше спутников и GPS позволяет получить точность определения координат большую, чем система Глонасс.

На этом обзор существующих технологий, стандартов и систем беспроводной связи я закончу. Естественно, это далеко не полный перечень, но в нем приведены примеры наиболее популярных и часто используемых видов беспроводной связи. Надеюсь, обзор поможет вам проще ориентироваться в столь обширном и многообразном сегменте науки и техники, в мире беспроводных технологий, который быстро и уверенно и идет на смену устаревающим, неудобным и непрезентабельным технологиям проводной связи.

Использование беспроводных технологий - перспективное направление в развитии автоматизированных систем управления зданиями (АСУЗ). Сейчас это уже не только модная тенденция, но хорошо известная на международном рынке и проверенная временем технология для повышения эффективности как монтажных работ, так и функционирования АСУЗ. При этом очень важно понимать технические особенности ее реализации, возможности и ограничения.

Беспроводная автоматизированная система управления зданиями обладает многими преимуществами по сравнению с проводными системами. Монтаж беспроводной системы обычно обходится дешевле, и ее архитектура во многих случаях обладает большей совместимостью. Расширение и модернизация АСУЗ требует минимального беспокойства пользователей. Ввод беспроводных систем в эксплуатацию требует меньше времени, так как беспроводные сканирующие инструменты упрощают задачу обнаружения проблем и подтверждения установки. Кроме того, беспроводные технологии требуют меньшего объема сырьевых материалов, включая медь, и менее трудоемки при монтаже.

Поэтому, если вы купились на преимущества, предлагаемые беспроводными системами, вам необходимо понять, что беспроводные системы могут быть хороши (и не очень хороши). Нужно уяснить различия между тремя наиболее популярными беспроводными технологиями. Кроме того, следует знать ключевые требования для успешного проектирования и монтажа, а также вопросы безопасности беспроводных систем. Данная статья дает обзор по всем этим вопросам.

Беспроводные принципы АСУЗ

АСУЗ работает на трех уровнях. Верхний уровень - Ethernet (как пример - Ред .), связывающий контроллерные устройства и средства диспетчеризации. Этот уровень также позволяет получать доступ к АСУЗ через Интернет. Второй уровень - это магистральные сети обмена данными и контроллеры. На этом уровне осуществляется связь автоматических контроллеров, выполняющих всю работу, включая контроллеры воздухораспределителей с переменным расходом воздуха и прочее оборудование среднего размера. На третьем уровне расположены исполнительные устройства и датчики.

Исторически наиболее распространены беспроводные технологии на уровне датчиков, такие как средства контроля комнатной температуры. Сейчас получает широкое распространение уровень сетей обмена данными, поскольку он позволяет уменьшить стоимость монтажа и обеспечивает непривязанный доступ к сети. На самом деле, беспроводные технологии используются всеми тремя уровнями сетевых коммуникаций, поскольку верхний уровень также может использовать протокол Wi-Fi.

Беспроводные системы идеально подходят для применения в зданиях, где прокладка проводки затруднена или физически невозможна. Например, беспроводные средства контроля менее разрушительны для декоративных поверхностей, таких как мрамор, гранит или стекло. Другие помещения, где беспроводные технологии могут предоставить преимущества для владельцев и операторов зданий, включают большие открытые пространства, постройки с большими кирпичными или бетонными поверхностями, а также здания с большими потоками посетителей или частыми изменениями режимов эксплуатации.

Три беспроводных технологии

Три популярных беспроводных технологии: Wi-Fi, ZigBee и EnOcean. Коммерческие здания могут выиграть от комбинации нескольких беспроводных технологий на разных сетевых уровнях АСУЗ. Это обеспечивает высокую пропускную способность передачи данных, низкую стоимость и гибкость, предлагаемую каждой из этих технологий.

Полоса пропускания Wi-Fi позволяет обрабатывать большие объемы данных. Хотя эта технология пользуется популярностью, Wi-Fi потребляет больше электрической энергии и является более дорогостоящей, чем EnOcean и ZigBee. Эта беспроводная технология лучше всего подходит для дорогих устройств АСУЗ, представляющих собой верхний уровень сети, и обеспечивает возможность обмена данными между разными зданиями. Wi-Fi работает на частоте 2,4 ГГц и имеет 11 каналов, которые могут определять специалисты отдела информационных технологий для разделения сетей внутри здания.

ZigBee представляет собой беспроводную технологию со средней полосой пропускания, которая потребляет меньшую мощность, чем Wi-Fi. По этой причине она хорошо подходит для уровня связи по коммуникационным сетям обмена данными. ZigBee работает на той же частоте, что и Wi-Fi (2,4 ГГц), однако она рассчитана на работу внутри каналов Wi-Fi. Эти две беспроводные технологии предназначены для взаимодействия без интерференции.

Кроме того, ZigBee предлагает ячеистую сетевую архитектуру (Mesh network), которая является более надежной для коммерческих АСУЗ. Ячеистая сеть является самовосстанавливающейся - преимущество, которого нет у проводных сетей.

Технология EnOcean наиболее популярна в Европе и обладает низким энергопотреблением, позволяющим использовать беспроводные устройства без аккумуляторов. Очень низкая пропускная полоса EnOcean позволяет передавать очень малые объемы данных и работает на других частотах, чем Wi-Fi и ZigBee. Эта технология обычно используется для беспроводных датчиков и выключателей в составе АСУЗ.

Беспроводные сигналы и строительные материалы

Коммерческие здания включают в себя множество разных материалов и архитектурных элементов. Эти физические элементы влияют на беспроводные АСУЗ. Воздух, дерево и гипсокартон являются отличной средой для передачи беспроводных сигналов. Наиболее рентабельны беспроводные системы в больших открытых помещениях с неперекрытыми линиями прямой видимости, таких как спортивные залы и арены. В подобных помещениях беспроводные сигналы обладают намного большим соотношением мощности сигнала к расстоянию передачи.

Беспроводные сигналы также проходят сквозь кирпичные, бетонные и мраморные стены, но расстояние передачи значительно меньше. У большинства беспроводных устройств есть спецификации для передачи сигналов, которые предполагают наличие одной стены между узлами сети. Например, большинство устройств, использующих технологию ZigBee, работает с мощностью 10 мВт (переносной компьютер использует не менее 100 мВт), и сигнал легко проходит сквозь литую бетонную стену. Однако если сигнал от беспроводного устройства должен пройти сквозь несколько стен, можно ожидать 30-50 %-ного уменьшения мощности сигнала на каждую бетонную стену.

Беспроводные сигналы плохо проходят сквозь металл, что необходимо учесть. Двутавровые балки, шахты лифтов и металлические крыши представляют собой примеры металлических препятствий, с которыми часто встречаются беспроводные системы. Одно из неожиданных мест, где встречаются металлические преграды, - это исторические здания, внутри стен которых зашита в штукатурку металлическая сетка. В этом случае сигнал будет плохо проходить сквозь стены. Поэтому для беспроводных систем лучше выбирать помещения со свободной линией обзора, такие как помещения на открытом воздухе и коридоры.

Хорошая новость заключается в том, что большинство коммерческих зданий построены из материалов, вполне подходящих для беспроводной связи. При монтаже беспроводных систем важно учесть материалы, используемые для строительства внутренних стен. Хотя металлические преграды встречаются довольно часто, есть общепринятые правила, которые позволяют системам беспроводной связи надежно работать в коммерческих зданиях.

Расстояние передачи и количество переходов (hop counts)

Максимальное расстояние передачи беспроводного сигнала ограниченно. По этой причине во многие беспроводные устройства встроены индикаторы мощности сигнала, которые помогают на этапе монтажа беспроводной системы без необходимости использовать дорогостоящие инструменты. Среднее расстояние, на котором беспроводные устройства сохраняют работоспособность, в большинстве сред составляет 15 м, но на открытых пространствах может достигать 76 м.

Беспроводные устройства, использующие технологии ZigBee и Wi-Fi, имеют ограниченное количество переходов между беспроводными узлами. Например, данные о температуре в нескольких помещениях могут пройти через пять устройств переменного расхода воздуха на пути передачи. Это считается пятью переходами. Если поставщик беспроводной системы рекомендует использовать только четыре перехода, один придется удалить. Технология EnOcean является двухточечным беспроводным решением и не поддерживает многоточечные переходы внутри сети.

Беспроводные АСУЗ и иные сети

Большинство беспроводных сетей способны сосуществовать с другими беспроводными сетями внутри коммерческого здания. Один из методов реализации этого - передача сигнала АСУЗ с очень малой мощностью (10 мВт) - снижает вероятность интерференции с устройствами, работающими на тех же частотных каналах.

Для разделения разных типов применения беспроводные системы работают на лицензионных частотных полосах. В каждой частотной полосе могут работать только устройства, специально предназначенные для данных частот. Например, полицейские радиостанции не могут создавать помехи для медицинских телеметрических устройств, так как работают на двух разных лицензированных частотах.

Большинство устройств, использующих технологии ZigBee и Wi-Fi, работают на частоте 2,4 ГГц, которая также известна как частотная полоса для измерительных приборов и медицинского оборудования (ISM). На этой частоте работают многие типы устройств, так как же они могут функционировать вместе без создания помех? Помните, что частотная полоса задает диапазон каналов. Для ZigBee в частотной полосе ISM 2,4 ГГц задано 16 каналов, от 2,405 до 2,480 ГГц. В Wi-Fi в этой полосе есть 11 пересекающихся каналов, от 2,412 до 2,462 ГГц. Каналы ZigBee более узкие, чем в Wi-Fi, сеть можно настроить с передачей данных между устройствами ZigBee (в промежутках) через каналы Wi-Fi. Большинство устройств ZigBee автоматически выбирают эти «тихие каналы» во время запуска сети; однако их можно перенастраивать вручную, чтобы отдел информационных технологий мог контролировать каналы беспроводных сетей внутри здания.

Безопасность и надежность беспроводных сетей

Беспроводные технологии достигли такого уровня, когда беспроводная АСУЗ может быть так же надежна и безопасна, как и проводная система. Беспроводные предложения на рынке становятся все более устойчивыми и конкурентоспособными. Ниже приведены некоторые элементы, которые следует учесть при развертывании беспроводных АСУЗ.

Большинство беспроводных сетей рассчитаны на сосуществование с другими беспроводными сетями, работающими в коммерческом здании. Для снижения интерференции с сетями Wi-Fi беспроводные решения АСУЗ передают данные на малой мощности. Это способствует повышению надежности обеих систем.

Беспроводные технологии не должны ставить под угрозу безопасность систем здания. Поэтому сети должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить их безопасность при подключении к другим системам, и включать в себя современные средства безопасности. Беспроводная АСУЗ может включать в себя средства безопасности, содержащиеся в таких технологиях, как ZigBee, BACnet и TCP/IP, и включающие в себя шифрование данных, двухстороннюю аутентификацию и надежное управление ключами доступа. Правильная реализация этих технологий обеспечивает надежность передачи данных для операторов систем.

Беспроводная сеть АСУЗ обычно изолирована от магистральной информационной сети. Системы управления АСУЗ позволяют пользователям активировать или отключать маршрутизацию между разными уровнями сети, эффективно блокировать сообщения беспроводной сети АСУЗ от маршрутизации в информационные сети. Даже если хакер попробует воспользоваться беспроводной АСУЗ для атаки на информационную систему, эта блокировка может защитить данные в обеих сетях.

Кроме того, атакующие смогут получить только незначительное количество данных из беспроводной сети АСУЗ с регулярными промежутками. Расшифровка этих данных для получения полезной информации требует знания, как собирать случайные пакеты данных, а также близкого знакомства с каждым устройством в беспроводной сети.

Ограничения применения беспроводных сетей

Ограничения часто применяются в беспроводных сетях в определенных местах, таких как больницы. Около операционных ограничено использование мобильных телефонов. Любое место, где применяется ограничение использования мобильной связи, не является хорошим местом для развертывания беспроводных сетей.

Требования к электропитанию

Термин «беспроводной» не всегда означает «не требует электропитания». Беспроводные контроллеры систем автоматизации зданий и беспроводные повторители требуют наличия источника переменного тока. Установка беспроводных повторителей в беспроводных АСУЗ также влечет за собой некоторые расходы на электроэнергию.

Большинство доступных сегодня на рынке беспроводных датчиков, работающих от батареек, имеют срок службы четыре-пять лет и используют недорогие стандартные батареи. Большинство датчиков автоматически сообщают, когда батарея разряжается. Учтите, что простые устройства, такие как выключатели и датчики, могут собирать энергию для работы без батарей.

Подготовка к установке беспроводной системы

Все монтажные работы начинаются в инженерном отделе с использованием чертежей и информации об арендаторах. Если известно, как арендаторы используют помещение, инженерная группа может рекомендовать решение, обладающее максимальной гибкостью. Существующие здания, требующие реконструкции, могут выиграть от специальных осмотров на месте с использованием чек-листов.

Инженеры должны рассмотреть ожидаемые изменения в здании на протяжении всего срока его службы. Не следует устраивать беспроводную связь между этажами, поскольку во многих случаях проектировщики системы не могут контролировать, что находится этажом выше или ниже. Например, пользователи могут передвинуть металлический шкаф так, что он будет блокировать сигнал, передаваемый на беспроводное устройство на соседнем этаже.

Большинство беспроводных систем сопровождаются информацией о расстоянии передачи между беспроводными устройствами и встроенными индикаторами уровня мощности радиосигнала. Эта информация полезна для проведения осмотров на месте, а также во время и после монтажа системы.

Независимо от того, является ли система беспроводной, проводной или гибридной, лучше всего привлечь всех заинтересованных лиц на ранней стадии процесса, чтобы понять их ожидания и цели. Инженеры и подрядчики должны знать, какие системы уже имеются в существующем здании или планируются для нового здания. На начальной стадии процесса привлеките интегратора систем АСУЗ, чтобы убедиться, что проект системы соответствует бизнес-целям.

Беспроводные сети способны заменить проводные системы в большинстве зданий. Основной стимул продвижения беспроводных систем - потребность в контроле оборудования для повышения эффективности.

Современные беспроводные системы автоматизации зданий осуществляют подключение нескольких уровней сети, устройств диспетчеризации, контроллерного оборудования, датчиков комнатной температуры, а также других коммуникационных устройств. Беспроводные технологии можно интегрировать на одном или всех уровнях инфраструктуры АСУЗ. Это позволит обеспечить гибкость управления, простоту модернизации и сокращение времени монтажа.

Литература

1. Patrick Harder. A Guide to Wireless Technologies // ASHRAE Journal - 2011. - February.
2. СТО НП «АВОК» 8.2-2008 «Комплекс систем интеллектуализации малоэтажных и коттеджных зданий». М. : ООО ИИП «АВОК-ПРЕСС», 2008.
3. IEEE Std. 802.15.4-2006 (Revision of IEEE Std. 802.15.4-2003). - New York: IEEE, 2006.
4. IEEE Std 802.11-2007 (Revision of IEEE Std 802.11-1999). - New York: IEEE, 2006.

Статья заимствована с сайта abok.ru.