Глава 11: Беспроводные сети

 « Предыдущая

Шумоподобные сигналы

В физическом плане, беспроводные сети значительно отличаются от сетей Ethernet, а вот с точки зрения логики работы, они весьма схожи. Отличие это выражается хотя бы в том, что воздушная среда передачи данных разительно отличается от витой пары. Многие последние технические разработки ведутся в области широкополосной беспроводной связи. Эти инновации и будут описаны ниже.

Принудительное расширение частотного спектра сигнала является основой приемо-передачи шумоподобных сигналов.

Наглядно, этот сигнал можно представить в виде совокупности синусоидальных гармоник, имеющих разную частоту и амплитуду. Следует учесть, что большая часть энергии импульса будет находиться в спектральной полосе, которая соответствует длительности передаваемого сигнала.

Ширина спектра рассчитывается по формуле: Ширина спектра = 1/tи, где tи - длительность импульса. Формула показывает, что при уменьшении длительности импульса увеличивается ширина полосы, по которой проходит сигнал. Возникает сложность с передачей сигнала не большой мощности.

Процесс повышения надежности приема не сложен. Для этого просто необходимо внести в него избыточность. В роли избыточности выступает шумоподобный код или ЧИП (числовая последовательность). В результате, энергия сигнала распределяется по  всему спектру.

В среде передачи (эфире) всегда присутствует шум. Были разработаны специальные последовательности, в их основу положена автокорреляция, которые выделяют ЧИП из этого шума. Это означает, что когда корреляция накладывается сам на себя (имея не большой сдвиг) будет возникать совпадение кода. Данное совпадение возникнет только при условии небольшого смещения. Наглядным примером такого кода служит 11-ти разрядный код Баркера (11100010010). Используют прямой и инверсный его вариант для передачи 1 и 0. В результате, появляется возможность выделить сигнал из шума и преобразовать его в узкополосный.

Таким образом, путем не сложных подсчетов, получается, что при информационной скорости в 1 Мб/с, ЧИП длительностью 1/11 мкс будут следовать на 11 Мчип/с, и ширина спектра составит 22 Мгц (частота соответствует 2/Т, где Т - длительность импульса). Обращаем ваше внимание на тот факт, что существует возможность увеличить сигнальную скорость более чем 2 раза. Для этого используют комплиментарные коды - это более сложные механизмы представления данных.

Следует подчеркнуть, что фазовая модуляция RadioEthernet по своей физической сути не сильно отличается от, например, xDSL. Такое сходство характерно для большинства таких систем.

Диапазон частот

Правом распределения частот среди желающих во многих странах обладают специальные службы по телекоммуникации. Кроме того, диапазоны частот 2400-2483,5 МГц и 5725-5875 МГц используется для передачи данных в промышленной, медицинской и научной сфере. Такое распределение было установлено на Всемирной Административной Радио Конференции (ВАРК).

Начиная с 1986 года в странах Европы и США было официально отменено обязательное лицензирование ISM-диапазонов. Теперь каждый желающий может использовать данный диапазон широкополосными средствами связи. Это разрешение действует и на устройства Radio-Ethernet. Однако тут существует ограничение - мощность передатчика не должна превышать 100 мВт.

Такой подход поспособствовал появлению большого числа беспроводных технологий (Wireless LAN). Изначально, задумывались такие решения для возможности мобильности пользователей внутри одного помещения или кампуса. За использования частоты в этих целях плата не взималась. На территории СНГ Wireless LAN так и не стало популярным. Такое оборудование провайдеры использовали для связи сетей областного масштаба между собой.

Ситуация с бесплатными каналами частот совсем иная в Украине. Здесь, как и в прошлом, процветает бюрократия: вся процедура регистрации очень сложная и запутанная. Кроме того, за частоту нужно платить, и не мало. Описывать здесь всю процедуру мы не будем. Укажем лишь, что только стоимость работ будет составлять десятки тысяч долларов США. Ждать изменения данной ситуации к лучшему в ближайшем будущем не приходится. Процесс упрощения и удешевления движется очень медленно.

Надо указать на то, что при этом тотальном контроле за средой, на практике отсутствуют реальные методы борьбы с пиратскими линиями связи. Во многих больших городах России пиратство расцвело на столько, что легальных операторов просто вытеснили с диапазон 2,4 ГГц. При этом средства, потраченные на лицензию, никто не вернул.

Борьба с пиратством усложнилась еще и тем, что для работы стало достаточно ноутбука с радиомодулем и некоторое активное оборудование, стоимость которого составляет до 100$. Следовательно, каждый, кто имеет такое оборудование уже потенциальный пират.

Все идет к тому, что и другие диапазоны, так же, присвоят пираты. Связано это с продолжающей снижаться ценой на оборудование, предназначенного для работы на диапазоне 3,4 и 5,2 ГГц. Чем все закончится - сейчас сказать сложно. Однозначно одно, принятая государством политика жесткого регулирования потерпела крах. Права легальных компаний защитить она не в силах.

Методы передачи

Методов существует несколько. В частности, существуют две принципиально разных технологии, которые позволяют работать с широкой полосой частот. Этими методами являются Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS (частотных скачков) и Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS (прямая последовательность).

В методе частотных скачков весь широкополосной диапазон 2,4 ГГц используется как одна полоса с 79 подканалами. В методе прямой последовательности широкая полоса разбита на несколько DSSS-каналов. Это значит, что одновременно, на одной полосе среды, независимо друг от друга, могут использоваться 3 канала. При этом, скорость передачи каждого из каналов, будет 2 Мбит/с.

Преимущества DSSS на лицо: большая дальность связи, устойчивость к узкополосным помехам, высокая производительность. Производительность составляет 2 Мбит/с на один канал, 6 Мбит/с на весь диапазон 2,4 ГГц.

Вторая технология - FHSS отличается более низкой пропускной способностью, но при этом она дешевле и проще. Под эту технологию многими фирмами производится оборудование. Основным преимуществом FHSS над DSSS считается сохранение работоспособности в условиях широкополосных помех. Самый главный недостаток FHSS состоит в том, что они мешают обычным узкополосным устройствам.

Взаимодействие устройств

Был разработан специальный набор стандартов, который призван регламентировать теоретические вопросы локальных сетей, построенных по принципу Radio Ethernet. Такими стандартами является семейство IEEE 802.11. В этом стандарте определен порядок организации беспроводных сетей. Описаны оба уровня доступа: МАС и PHY. В первом из них доступ к среде передачи данных, во втором - физический уровень.

Максимальная скорость передачи данных, которую предусматривал данный стандарт, была 1 Мбит/с. Затем, было разработано дополнение - IEEE 802.11b, которое предусматривало скорость уже 1, 2, 5.5 и 11 Мбит/с. После этого семейство данного стандарта все время пополняется и на сегодня версии a и g значительно подняли скорость.

Когда устройства начинают взаимодействовать друг с другом на MAC-уровне, возникает необходимость разделить сети по инфраструктуре. Их выделяют две: Ad Hock и Infrastructure Mode. Само взаимодействие оборудования так же будет различным. Так при первом варианте узлы непосредственно взаимодействуют друг с другом - такое взаимодействие называют "режимом точка-точка". При втором варианте - через точку доступа - Access Point. Точка доступа исполняет роль концентратора. Режим "точка доступа", в свою очередь, так же имеет два режима: BSS и ESS. Basic Service Set предусматривает доступ только через точку доступа, а Extended Service Set позволяет узлам взаимодействовать друг с другом.

Теперь рассмотрим PHY-уровень. На этом уровне используется широко известная технология избегания коллизий. Перед началом передачи посылается специальное сообщение - Ready To Send. Данное сообщение извещает  о готовности к отправке, адресат, продолжительность.

Принимающий узел, в свою очередь извещает о готовности принять другим сообщением - Clear to send. Другие узлы могут задерживать передачу. Окончание процесса передачи, так же, оформлено кадром - ACK. Эта последовательность будет повторяться снова и снова, пока происходит обмен информацией. Если обобщить все выше сказанное, то можно сказать, что сам процесс передачи информации идет без возможности коллизий. Коллизии возникают только, когда идет процесс соревнования абонентов за канал.

Параллельно, большими шагами идет развитие рынка беспроводного оборудования операторского класса. Здесь представлены MMDS, LMDS, OFDM (будущий 802.16а), фирменные технологии. В целом, ассортимент очень широк. Из-за такого количества новинок разобраться во всем этом многообразии оборудования порой очень непросто.

Ниже, мы попытаемся систематизировать всю информацию на практических примерах.

Группа IEEE 802.11.

Данная группа сегодня считается лидером на рынке. Остановим ваше внимание на том факте, что приведенные стандарты были разработаны и продолжают разрабатываться далее для нужд локальных сетей внутри помещения.

Другими словами, установленный нами хаб будет иметь характеристики хуже, чем у аналогичных проводных "братьев". Желательное число абонентов, подключенных к одному хабу (пропускная способность 11Mb/s)не должно превышать 15-ти человек.

Таким образом, это оборудование не применимо в более крупных сетях (район\город). Хоть такие сети и были выстроены во многих городах СНГ, их услугу никак нельзя назвать качественной.

Решением может выступать применение оборудования 802.11b, используя технологию точка-точка. Так же можно применять разнос нескольких точек на расстояние 7-8 километров.

Ниже приведена небольшая таблица характеристик для группы 802.11

Обращаем внимание, что в инструкции к любому беспроводному оборудованию указанная максимальная дальность передачи сигнала, относится к условиям, близким к идеальным. При этом должно использоваться дорогостоящее антенно-фидерное оборудование.

Если ориентироваться на крупных иностранных операторов, то те отказались от использования такого оборудование. Они аргументируют свой отказ тем, что на это оборудование нет никаких гарантированных характеристик.

Компаниями-производителями оборудования рассматриваемого стандарта являются: Cisco (aironet), Proxim (ORiNOCO), Micronet (SP), D-Link, Linksys и т.п.

MMDS и LMDS подобное оборудование

Изначально данное оборудование задумывалось для осуществления работы многоканального беспроводного телевидения, с перспективой переноса в высокочастотные спектры. На много позже, были реализованы технологии, которые дали возможность наложить стандарт цифровой передачи данных на радиосеть. В результате, все параметры цифрового потока данных отвечают этому стандарту.

При этом сохраняется возможность получения и воспроизведения телевизионных каналов. Их количество зависит от общего спектра системы. Если мощность передатчика будет достаточно высокой, то зона покрытия будет достигать до 40 километров.

Сеть, построенная по такому принципу, будет иметь достаточно высокую стоимость. Только получение частотного разрешения уже влетит в копеечку, а установка одной единицы базовой станции стоит от 150 тыс. долларов.

Есть еще ряд проблем, одна из основных - проблема с частотами. Связана она с шириной спектра, который требует данная технология. В итоге, отечественным операторам за установку такой сети в небольшом городе, необходимо выложить до 1 млн. долларов. В большинстве случаев такие расходы им не под силу.

Фирменные технологии

Фирменные разработки появились вследствие отсутствия соответствующих стандартов на беспроводные сети. Кроме того, имеющиеся стандарты не имели гарантированных характеристик каналов. Самыми популярными на сегодняшний день являются: Tsunami (Proxim), Ultima3 (Wi-Lan), PacketWave(Aperto Networks) и Revolution (CompTek).

Такое оборудование весьма популярно при создании городских сетей. Его используют так же как замену ЦРРЛ. Рост популярности связан, прежде всего, с относительно доступной ценой: $800-1600 за клиентское устройство (CPE) и $7000-30000 за базовую станцию. Кроме того, такие сети имеют высокую степень надежности и предоставляют гарантированные характеристики канала.

В настоящее время разрабатывается новый стандарт на основе OFDM, назван он - IEEE 802.16a. Возможно, вскоре, не очень дорогое оборудование LAN-уровня включит в себя основные достоинства фирменных разработок. Такое внедрение даст возможность создавать радио сети, в которых будет происходить обмен данными на высокой скорости. Сами сети при этом будут гораздо большего размера, чем сейчас.

Разумеется, что для качественного функционирования радиоканала, одного хорошего активного оборудования не достаточно. Необходимо иметь и пассивное оборудование высокого качества (антенно-фидерный тракт). Не редки случаи, когда их цена значительно больше стоимости простого радиобриджа.

Качество кабеля определяется параметром dB Loss - чем меньше этот параметр, тем лучше. Обращать внимание нужно на затухание, которое происходит именно на той частоте, на которой предполагается работа самого канала. Ниже приведены паспортные данные некоторых видов кабелей:

RG-8x doublescreen

Belden H-1000

Здесь не приведен пример параметров общеизвестного RG58, т.к. при его использовании будут наблюдаться очень высокие потери, вплоть до 5-8 Дб/метр. Как следует из приведенной таблицы, рациональней всего использовать высокочастотный кабель. Стоимость его относится к разряду средней - 0,5 до 2,5$.

 Напомним, что потери будут расти с каждым следующим метром кабеля. Например, 20 м. RG-8x вызовут затухание порядка 20 * 0,76 = 15,2 Дб. Это сопоставимо с усилением, которое может дать хорошая антенна. Немаловажен и тот факт, что длинный кабель сам по себе является антенной. Он способен вбирать в себя все помехи из эфира. Для фильтрации сигнала предназначен узкополосный фильтр, который ставят на входе в активное устройство. Но он не всегда способен противостоять серьезной помехе. Если ставить еще один фильтр, мы дополнительно потеряем 3 Дб.

В результате, активное оборудование, нужно располагать как можно ближе к крыше. При этом следует учесть то, что при длине фидера более 30-40 метров возможны перебои со связью. В таких случаях используют мощные антенны и усилители.

Разъемы

Теперь нужно рассмотреть очень важный объект - разъемы. Самую высокую степень применения имеют N-type, SMA, TNC, РК-50. Более узкую сферу применения имеют BNC, UHF, F-type, и другие "фирменные" стандарты. Эти разъемы не сложны в применении, так как имеют разнообразные переходники и разветвители, их можно паять и обжимать.

Величина затухания в разъемах соответствует по величине затуханию в 1-2 метрам кабеля. Работать с разъемами следует очень аккуратно, т.к. даже небольшое количество влаги или грязи способно значительно увеличить затухание.

В связи с тем, что разъемы часто устанавливаются на крышах, велика вероятность попадания влаги внутрь.

Антенны

Из всех рассмотренных видов оборудования, необходимого для беспроводного радиосоединения, одним из самых важных элементов являются антенны. Существует огромное количество их разновидностей: логопериодические, параболические, вибраторные, панельные, коллинеарные (всенаправленные), волновой канал и др. Рассматривать в отдельности каждый из этих видов, мы не будем, сделаем лишь краткий обзор.

Все антенны делятся на три группы: узконаправленные, всенаправленные и секторные. Разделение на эти группы не предусматривает конструктивных отличий. Различия между представителями этих трех групп видны из их названия. Всенаправленные антенны используют для работы с несколькими точками, что предусматривает их использование для не больших базовых станций. Недостатком таких антенн является низкая степень защиты от помех. На практике, такие антенны перестают работать при высокой степени шума и не используются для связи между сегментами Ethernet-сетей.

Для возведения мощных базовых станций применяют несколько антенн (создают несколько секторов), которые имеют диаграмму направленности в 60-180 градусов. Эти сектора настраиваются на разные диапазоны, что дает им возможность не создавать помех дуг для друга. Для этих же целей антенны часто устанавливают в разной поляризации.

Узконаправленные антенны - это лидер установки при строительстве домашних сетей. Такая антенна принимает меньше помех и, соответственно, излучает их меньше. Таким образом, самым основным ценным качеством таких антенн является как можно большая узость диаграммы направленности.

Самыми распространенными считаются панельные антенны и "волновой канал", связано это с хорошим соотношением цена/качество.

Ниже приведен пример панельной антенны FA-20 (усиление 20 Дб).

Достоинством данной антенны является ее узость диаграммы направленности. Недостатки – высокая стоимость ($50-70) и высокая степень заметности антенны на крыше.

Ниже представлен пример антенны, имеющей тип "волновой канал". Марка POLARIS-2450 (усиление 17 Дб).

Основным преимуществом POLARIS-2450-17 является ее внешняя схожесть с телевизионной. Она не дорогая ($20-40), но и не высокого качества.

Следующий тип антенн - двойной биквадрат. Изготавливается просто, кустарным способом. Отличается хорошей диаграммой направленности и усилением.

Приведем еще один тип кустарной антенны – это «баночная». Такой тип часто используется в таких же кустарных сетях.

Данное устройство нельзя применять для серьезных сетей. Однако, с ее помощью можно получить довольно приличное усиление - 7-8 Дб.

Грозозащита

Для любой антенны, расположенной на крыше здания, очень важным параметром является ее грозозащитные свойства. Сегодня самым распространенным типом антенн являются короткозамкнутые по постоянному току. Этот параметр очень надежно защищает антенну от атмосферного электричества. Здесь следует обратить внимание на надежность крепления антенны и его заземление.

Что касается "кустарных" (самодельных) антенн, то для них самой лучшей защитой является негрозоопасное место размещения. Можно, так же, применять отдельную газовую или четвертьволновую грозозащиту.

Непрямая видимость

Очень редки случаи, когда владельцы локальных беспроводных сетей занимаются расчетом возможности связи. Обычно все решается на бытовом уровне: если излучатель и приемник находятся в зоне прямой видимости друг друга - то связь будет, если нет - то и связь будет отсутствовать.

Такой подход, зачастую, оправдывает себя. Однако, на примере телевизионного сигнала, становится ясно, что хороший прием гарантирован и в условиях отсутствия прямой видимости. Связано это с тем, что волны имеют свойство отражаться от различных поверхностей (стены, крыши и др.) для нужд связи по средствам радио-Ethernet этого хватает.

На сегодняшний день, производители специально выпускают такое оборудование, которое изначально поддерживает отраженный сигнал. Реализована эта функция на уровне методов кодирования. Теперь уже можно говорить о приеме сигнала, даже в условиях отсутствия прямой видимости. На практике такое встречается редко. Прием сигнала в таких условиях будет скорее исключением, чем правилом.

Следующая »