Информационные сети и системы

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS). Модуляция и расширяющие последовательности для диапазонов 868/915 и 2450 МГц различны. В диапазоне 2450 МГц поток немодулированных данных разбивается на группы по четыре бита. Каждая группа заменяется одной из 16 квазиортогональных последовательностей длиной 32 бита (чипа). Модуляция данных — квадратурная фазовая (QPSK) со сдвигом. В диапазоне 868/915 МГц поток данных подвергается дифференциальному кодированию и замене каждого бита расширяющей последовательностью длиной 15 бит. Далее преобразованный поток данных передается в радиоканал посредством двухпозиционной фазовой модуляции (BPSK).

 

Рис. 1.12.  Топология сети IEEE 802.15.4 типа «звезда» и «равный с равным»

 

Рис. 1.13. Объединение нескольких кластеров в сеть IEEE 802.15.4

 

Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств – так называемые полнофункциональные (FFD) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD). Их основное отличие в следующем: FFD могут устанавливать соединения с любыми устройствами, RFD – только с FFD. В каждой пикосети (PAN) должно быть устройство – координатор PAN. Его функции может выполнять только FFD. Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию типа «звезда». Если в сети FFD несколько, топология может быть более сложной – типа одноранговой сети (сети равноправных устройств – peer-to-peer) «каждый с каждым» (рис. 1.12) или объединение нескольких звездообразных кластеров (рис. 1.13). Но в любом случае одно из FFD выполняет функцию координатора сети. Каждому устройству сети присваивается 64-разрядный адрес.

Стандарт предусматривает взаимодействие устройств не только в рамках одной PAN, но и между различными соседними PAN (для чего и нужна развитая система адресации). Для упрощения обмена внутри сети координатор PAN может присвоить устройствам более короткие 16-разрядные адреса. В этом случае для межсетевого взаимодействия используются 16-разрядные идентификаторы сетей, также назначаемые координатором.

Данный стандарт, активно продвигаемый Альянсом ZigBee, призван заполнить вакуум в спектре низкоскоростных и дешевых беспроводных сетевых технологий, поскольку он предлагает разработчикам возможность создавать недорогие продукты с очень низким потреблением мощности и чрезвычайно гибкими функциями поддержки беспроводного сетевого взаимодействия.

 

1.6.3. Беспроводные локальные сети (стандарты IEEE 802.11 и DECT)

 

Беспроводные локальные сети передачи информации (WLAN) развиваются в последние десять лет невероятно быстро. Простота развертывания таких сетей ограничена только необходимостью оформления разрешительной документации (в тех странах, где это требуется).

Диапазон или область охвата большинства систем WLAN достигает 160 м, в зависимости от количества и вида имеющихся препятствий, а по пропускной способности они не уступают выделенным медным линиям. С помощью дополнительных точек доступа можно расширить зону действия, и тем самым обеспечить свободу передвижения и расширение зоны охвата сети. Сети WLAN исключительно надежны. Поскольку беспроводная технология уходит корнями в оборонную промышленность, обеспечение безопасности беспроводных устройств предусматривалось с самого начала. В сетях WLAN используется технология Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), которая отличается высокой устойчивостью к искажению данных, помехам, в том числе преднамеренным. Кроме того, все пользователи беспроводной сети проходят аутентификацию по системному идентификатору, что предотвращает несанкционированный доступ к данным. Для передачи особо уязвимых данных пользователи могут использовать режим Wired Equivalent Privacy (WEP), при котором сигнал шифруется дополнительным алгоритмом, а данные контролируются с помощью электронного ключа. В сетях WLAN, работающих по спецификации 802.11b, для обеспечения более высокой надежности сети вместе с аутентификацией пользователя могут применяться 40-битные и 128-битные алгоритмы шифрования. Перехват трафика, как умышленный, так и неумышленный, практически невозможен. Количество пользователей практически неограниченно. Его можно увеличивать, просто устанавливая новые точки доступа. Перекрывающихся каналов, которые не будут создавать взаимные помехи, одновременно может быть установлено не более трех.

Не смотря на молодость стандартов построения беспроводных локальных сетей, они уже очень хорошо проработаны и опробованы на практике. Учитывая достаточно подробное и обширное освещение в периодических изданиях и специальной литературе современных технологий WLAN, только кратко остановимся на двух наиболее массовых множествах стандартов в области беспроводных локальных сетей - IEEE 802.11 и DECT.

 

Семейство стандартов IEEE 802.11

 

Базовый стандарт IEEE 802.11. Работы в области создания беспроводных ЛВС начались в 1989 году, когда была организована рабочая группа 11-го комитета IEEE 802. В июле 1997 года в результате работы этой группы был опубликован стандарт IEEE 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). Он определял архитектуру сети, принципы доступа устройств к каналам связи, форматы пакетов, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц – режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой последовательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с. Однако устройства, соответствующие исходной спецификации IEEE 802.11, так и не были созданы ввиду того, что за период разработки стандарта пропускная способность проводных сетей Ethernet сильно возросла. Максимальная скорость передачи 2 Мбит/с, предусмотренная в IEEE 802.11, уже не удовлетворяла пользователей. Проблему решило появление стандартов (дополнений) IEEE 802.l1b, 802.11а и 802. 11g.

Вместе с тем стандарт IEEE 802.11 является базовым и определяет протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них – протокол управления доступом к среде MAC (Medium Accsess Control – нижний подуровень уровня звена данных) и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве физической среды допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. По сравнению с проводными ЛС Ethernet возможности подуровня   MAC расширены за счет включения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высоких уровней, в частности, процедур фрагментации и ретрансляции пакетов. Это вызвано стремлением повысить эффективную пропускную способность системы благодаря снижению накладных расходов на повторную передачу пакетов. В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий).

Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, используемых в беспроводных ЛС, стандартом 802.11 предусмотрен механизм переключения станций в пассивный режим с минимальным потреблением мощности.

В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура, причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP), которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS), представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему   образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set). Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций  выполняются непосредственно рабочими станциями.

Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), однако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает.

Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен целый комплекс мер безопасности передачи данных под общим названием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противодействия несанкционированному доступу к сети (механизмы и процедуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информации (шифрование).

Стандарт IEEE 802.11a. Является наиболее «широкополосным» из семейства стандартов 802.11, он предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В IEEE 802.11а каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM – 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с.

В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методом и методами DSSS/FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала.

Диапазон 5,1-5,9 ГГц хорош тем, что там гораздо проще найти широкую полосу для системы связи. В США для безлицензионной работы в этом диапазоне выделены полосы 5,15-5,35 и 5,725-5,825 ГГц – всего 300 МГц по сравнению с 83 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. Вместо трех неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц для сетей IEEE 802.l1b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц имеются восемь неперекрывающихся каналов. Аналогичная ситуация в Европе и в России (однако в нашей стране отсутствуют безлицензионные диапазоны) — в более высокочастотной области места больше. В частности, если в Москве диапазон 2,4 ГГц занят операторами достаточно давно, то область 5 ГГц еще только начинают осваивать, хотя свободных поддиапазонов там уже практически нет.

К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300м, а для 5ГГц - около 100м).

Стандарт IEEE 802.11b. Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также ориентации на "освоенный" диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей.

       Таблица 1.5

 

Скорость передачи данных в стандарте 802.11b

 

Стандарт передачи	Скорость передачи данных	Вид модуляции
IEEE 802.11	1 Мбит/с	DBPSK
IEEE 802.11	2 Мбит/с	DQPSK
IEEE 802.11b	5,5 Мбит/с	CCK
IEEE 802.11b	11 Мбит/с	CCK

В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless fidelity), был принят в 1999 г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша.

Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с (табл. 1.5) имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Средний радиус действия стандартных точек доступа 802.11b представлен в табл. 1.6.

Таблица 1.6

 Средний радиус действия стандартных точек

доступа 802.11b

 

Среда	Радиус действия
Открытая местность, зона прямой видимости	около 300 м
Открытая местность с препятствиями	до 100 м
Большой офис	до 40 м
Жилой дом	до 20 м

 

Указанные радиусы действия представляют собой средние значения для стандартных точек доступа IEEE 802.11b. В зависимости от местных условий (много бетона или толстые стены) действительные значения радиуса действия могут оказаться существенно меньше.

Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены.

Спецификация IEEE 802.11d. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, в данном стандарте IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот, дополнительные параметры для MIB и т.д.).

Спецификация IEEE 802.11e. Спецификации стандарта 802.11е описывают правила создания мультисервисных беспроводных ЛС, ориентированных на различные категории пользователей, как корпоративных, так и индивидуальных. При сохранении полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и b, он позволяет расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS).

Спецификация IEEE 802.11f. Спецификации 802.11f описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных.

Спецификация IEEE 802.11g. Спецификации 802.11g представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют  повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛС до 11 - 54 Мбит/с (табл. 1.7) благодаря использованию более эффективных методов модуляции сигнала.