Беспроводная связь. Спутниковая и сотовая связь

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

Беспроводная среда, для которой сегодня используется микроволновый диапазон, отличается высоким уровнем помех, которые создаются внешними источниками излучения, а также многократно отраженные от стен и других преград полезные сигналы, для борьбы с помехами используется разнообразная техника которая позволяет выполнять коррекцию ошибок.

Беспроводные сети и системы находят все большее распространение для решения телекоммуникационных задач. Особую популярность они получили при решении проблемы "последней мили" в районах с отсутствующей или недостаточно развитой кабельной инфраструктурой. Актуальность этой задачи для России обусловлена специфическими "особенностями национальных телекоммуникаций": недостаточно развитой и изношенной кабельной инфраструктурой, большими расстояниями, наличием сложно преодолимых естественных препятствий, и, наконец, участившимися хищениями медного кабеля. В отличие от кабельных систем, всем, использующим беспроводное оборудование следует иметь разрешение Главгоссвязьнадзора на использование частот. Правила, действующие в Северной Америке и Западной Европе, разрешающие, при соблюдении некоторых ограничений на величину излучаемой мощности, работу в так называемых ISM диапазонах всем желающим, на Россию не распространяются. Для решения проблемы "последней радиомили" созданы тысячи различных систем, разработаны десятки стандартов. На нашем сайте представлены наиболее популярные, близкие к оптимальным по критерию эффективность-стоимость, системы.

Диапазоны

Радиоканалы для целей передачи информации используют частотные диапазоны 902 – 928 МГЦ (расстояния до 10 км, пропускная способность до 64 Кбит/с, 2,4 ГГц и 12 ГГц (50 км, до 8 Мбит/с). Они используются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или слишком дорого. Более низкие частоты (300 МГц) мало привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (> 30 ГГц) работоспособны для расстояний не долее или порядка 5 км из-за поглощения радиоволн в атмосфере.

Поглощение в атмосфере ограничивает использование частот более 30 ГГц. Атмосферные шумы, связанные в основном с грозовыми разрядами, до 2 МГц. Галактический шум, приходящий из-за пределов Солнечной системы.

Мощность передатчика лежит в диапазоне 50 мВт – 2 Вт. Для устройств на частоты работающих на частоте 2,4 ГГц и выше, используются направленные антенны и необходима прямая видимость между приемником и передатчиком.

Беспроводные сети для операторов и корпоративных клиентов

Беспроводные сети операторов и корпоративных клиентов создаются для объединения сегментов корпоративных сетей при отсутствии между ними проводных или волоконно-оптических каналов или необходимости их резервирования, а также для беспроводного доступа к сетям общего пользования. В зависимости от выбранного критерия сеть строится либо на беспроводных сетевых адаптерах с использованием точки доступа в качестве базовой станции, что обеспечивает минимальную стоимость, либо на беспроводных мостах (/маршрутизаторах), что позволяет достичь максимальной производительности. Сеть на беспроводных адаптерах позволяет подключать по радио к точке доступа базовой станции, как отдельные компьютеры, так и проводные сети, при назначении одного из компьютеров такой сети сервером радиодоступа и оснащении его проводным и беспроводным сетевым адаптером. Для реализации подобных сетей широко используется оборудование серии Cisco Air 340 производства Cisco Systems и ORiNOCO производства Lucent Technologies. Поскольку в подобных сетях практически отсутствуют средства фильтрации широковещательного трафика, их реальная производительность несколько меньше, чем у сетей, построенных на базе беспроводных мостов (/маршрутизаторов). Такие устройства могу использоваться как для создания каналов точка-точка, так и для развертывания масштабных сетей сложной топологии с возможностью многократной ретрансляции сигналов. Для создания "уличных" беспроводных сетей сложной топологии рекомендуется использовать беспроводные мосты Cisco AIR BR340 производства Cisco Systems или беспроводные мосты/маршрутизаторы ORiNOCO Outdoor Routers производства Lucent Technologies. Для реализации сетей топологии "точка-многоточка" с успехом применяются беспроводные мосты WBS и WBC серии BreezeNET DS.11 производства BreezeCOM. Все оборудование работает в диапазоне частот 2,4-2,5 ГГц. Наличие "Обобщенного решения ГКРЧ" существенно упрощает процедуру получения частот в органах Главгоссвязьнадзора. Для нормальной работы оборудования необходимо наличие прямой видимости между антеннами. При ее отсутствии могут использоваться антенные мачты различных конструкций. В беспроводных сетях диапазоне 2,4-2,5 ГГц используется широкая номенклатура антенны отечественного и иностранного производства. Для создания базовых станций применяются всенаправленные антенны с усилением от 3 до 12 дБ, или секторные антенны с шириной диаграммы направленности от 40 до 180 градусов. На оконечных узлах беспроводной сети применяются направленные антенны с усилением от 10 до 24 дБ. Типовое значение дальности передачи при скорости в канале 11 Мбит/с составляет 7-10 км. При необходимости увеличения дальности вплоть до 40 км, а также для компенсации потерь сигнала в коаксиальных кабелях используются приемопередающие усилители отечественного производства серий Manus и хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации в сложных климатических условиях.

Офисные беспроводные сети

Офисная беспроводная одноранговая локальная сеть "каждый с каждым" (в терминологии стандарта IEEE 802.11 - Ad-hoc) предназначена для быстрого развертывания временных сетей на выставках, в процессе проведения различных семинаров и совещаний, а также в офисах малых компаний. Для развертывания сети все компьютеры оснащаются беспроводными сетевыми адаптерами с интерфейсами PCI, ISA или PC card, работающими в соответствии со стандартом IEEE 802.11b в диапазоне 2,4 ГГц. Сеть работает под управлением протокола NetBEUI или TCP/IP, проста в установке и работоспособна сразу после установки драйверов. Дальность действия зависит от скорости передачи, взаимного размещения компьютеров в офисе, конструктивных и архитектурных особенностей офиса и меняется от 30-50 м при скорости в канале 11 Мбит/с, до нескольких сотен метров при скорости 1 Мбит/с. Реальная скорость передачи при перекачке файлов достигает 6 Мбит/с. Сеть поддерживает ограниченную зоной радиовидимости мобильность абонентов, механизмы энергосбережения и автопонижения скорости при ухудшении условий распространения радиоволн, а также защиту канала в соответствии с алгоритмом WEP (Wired Equivalent Privacy). Сеть топологии "каждый с каждым" может быть реализована на беспроводных сетевых адаптерах серии Cisco AIR-340 производства Cisco Systems и ORiNOCO производства Lucent Technologies.

Беспроводная сеть малого офиса Важнейшее требование к сетям SOHO - наличие выхода в Интернет, поэтому в составе сети используется устройство типа резидентного шлюза, объединяющего в своем составе модем для коммутируемых телефонных каналов, поддерживающий протокол v.90, и беспроводную точку доступа, координирующую работу беспроводных сетевых адаптеров. Тем самым обеспечивается доступ в Интернет со скоростью до 56 кбит/с и беспроводное объединение компьютеров сети, на скоростях от 1 до 11 Мбит/с. В качестве резидентного шлюза может быть использовано устройство RG-1000 производства Lucent Technologies, а в качестве беспроводных сетевых адаптеров - адаптеры ORiNOCO того же производителя.

Многосотовая беспроводная сеть офиса крупной компании Во многих случаях развертывание структурированных кабельных систем для создания офисной сети невозможно или нецелесообразно. Такая ситуация характерна для быстро растущих компаний, часто меняющих свое местоположение, для офисов, размещенных в исторических зданиях, а также для компаний, персонал которых вынужден перемещаться в пределах здания с мобильными компьютерами. Оптимальным решением в этих ситуациях является развертывание многосотовой беспроводной офисной сети инфраструктурной ("infrastructure" в терминологии стандарта IEEE 802.11) топологии. Сеть образует несколько беспроводных сот, в центре которых находятся точки доступа, объединенные единственным проводным каналом. При необходимости, объединение точек доступа в единую сеть также может быть выполнено с помощью беспроводных каналов. Сеть инфраструктурной топологии обеспечивает наивысшую производительность, поддерживает роуминг мобильных пользователей в пределах зон радиовидимости точек доступа и обеспечивает безопасность на уровне проводных каналов. Сеть инфраструктурной топологии может быть реализована на оборудовании ведущих производителей: Cisco AIR340 (Cisco Systems), ORiNOCO (Lucent Technologies) и BreezeNET DS.11 (BreezeCOM), поддерживающем стандарт IEEE 802.11b и обеспечивающем скорость передачи данных до 11 Мбит/с.

Bluetooth

Bluetooth спецификация для портативных устройств, обеспечивающая дешевую радиосвязь между мобильными компьютерами, мобильными телефонами и другими переносными устройствами, возможностью подсоединения к Интернет.

Главное преимущество систем Bluetooth перед инфракрасными портами состоит в том, что Bluetooth не требует прямой видимости. Bluetooth работае в диапазоне 2,4 ГГц – это тот же вид микроволновой радиотехнологии, которая обеспечивает беспроводной дверной звонок и автоматическое открытие двери гаража.

Bluetooth первоначально ограничивался дальностью связи 10 метров и скоростью 1 Мбит/с, сейчас расстояние может достигать порядка 100 м. Технология работает подобно переносным домашним телефонным трубкам, где есть приемопередатчик и базовые станции для соединения 8, 10 устройств в пределах одной подсети, используя семь каналов передачи данных и три голосовых.

Модули Bluetooth имеют приемопередатчики, которые сканируют пространство и обнаруживают другие устройства Bluetooth, чтобы установить связь. Когда два устройства обнаруживают друг друга, то устанавливают контакт и формируют временную сеть, названную Персональной сетью (Personal Area Network – PAN). Для передачи данных устанавливается сессия сети. По соображениям безопасности пользователь должен предоставить ручное одобрение по входу в сеть устройствам, которые не были ранее опознаны как устройства, принадлежащие PAN.

Для связи модули Bluetooth используют переключение частот (Frequency-Hopping Spread – FHSS). FHSS использует переключение пакетов при пересылки данных от передатчика одного модуля Bluetooth на приемник другого. В отличие от переключения каналов, которое устанавливает связь на некоторой частоте, FHSS разбивает данные на маленькие пакеты и передают их в широком диапазоне частот «поперек» доступной полосы частоты. Приемопередатчики Bluetooth переключают 79 частот в полосе на 2,4 ГГц с частотой 1600 в секунду.

Сотовая связь

Идея сотовой связи появилась 1970 г. в лабораториях Белл, США. Реализация началась в 1980 – х гг. в Европе. Сотовая связь использует полосы 800 МГц и 1,9 ГГц.

Системы первого поколения 1G были аналоговыми и работали в диапазоне 800 МГц. Системы второго поколения 2G основывались на принципах цифровой связи и работали на скорости 7,6 Кбит/с. Третье поколение 3G отличаются от второго очень высокой скоростью передачи.

GSM это уникальная технология заключающаяся в использовании Карты идентификации подписчика (SIM – карты Subscriber Identity Module Cards) в телефонных трубках.

Система GSM совместима с переносными компьютерами и обеспечивает всестороннее решение проблемы коммуникации в движении. Пропускная способность факса 9600 бот на ряду со специальными возможностями, подобными международному роумингу и SMS (Short Message Service), позволяет мобильным пользователям легко и надежно соединяться при перемещении.

В дальнейшем технология 2G была усовершенствована при последующем введении Высокоскоростных переключаемых сетей передачи данных (HSCSD – High Speed Circuit Switched Data), которые требовали расширения стандарта GSM, введения нового протокола связи с увеличением скорости до 76,8 Кбит/с.

GPRS (General Packet Radio Service) это пакетная служба общего назначения, обеспечивает возможность непрерывного IP – соединения, чтобы связать корпоративные и собственные ЛВС обслуживания операторов через интерфейсы к TCP/IP и Х.25. . GPRS дает почти мгновенную установку связи и позволяет при этом проводить расчеты за услуги на основе количества переданных данных, а не времени связи. Как технология пакетной передачи данных, GPRS использует ресурсы сети и полосу пропускания только при фактической передачи данных. Поддерживаются скорости от 14,4 Кбит/с до 115 кбит/с при использовании всех восьми каналов.

WAP (Wireless Application Protocol) – это прикладной протокол связи. WAP определяет беспроводную прикладную среду, нацеленную на предоставление возможностей операторов, изготовителей и поставщиков содержания, для развития продвинутых услуг и приложений для доступа к электронной почте, Интернету с поддержкой протокола HTTP.

Спутниковая система связи

Спутниковая система связи используется почти повсеместно на Земле. Преимуществом спутниковой связи является отсутствие ограничений по привязке к конкретной местности Земли.

Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи VSAT (Very Small Aperture Terminals). Такие терминалы используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. При этом канал к спутнику имеет пропускную способность 19,2 Кбит/с, а со спутника 512 Кбит/с. Связь осуществляется через терминальные антенны VSAT с диаметром 1 – 1,5 м с мощностью излучения 1 – 4 Вт и обеспечивают широкополосный доступ в 64 Кбит/с.

Структура системы спутниковой связи включает следующие составляющие:

• космический сегмент, состоящий из нескольких спутников - ретрансляторов;

• наземный сегмент, содержащий центр управления системой, центр запуска космического аппарата, командно-измерительной станции, центр управления связью и шлюзовыми станциями;

• пользовательский сегмент, осуществляющий связь с помощью персональных спутниковых терминалов;

• наземной сети связи, с которыми через интерфейс сопрягаются шлюзовые станции космической связи.

Сегодня используются три группы круговых орбит, отличающихся высотой над Землей:

• геостационарная орбита – 35863 км;

• средневысотная орбита – 5000 – 15000 км;

• маловысотная орбита – 100 – 1000 км.

Геостационарный спутник висит над определенной точкой экватора, следуя за вращением Земли, при этом четверть Земли оказывается в зоне прямой видимости, задержка сигнала достигает 280 мс.

Средневысотные спутники обеспечивают диаметр покрытия от 10000 до 15000 км и задержку распространения сигнала 50 мс. Наиболее известной услугой является глобальная система навигации (GPS) в состав этой системы входят 24 спутника и служит для определения координат месторасположения объекта. В России аналогичной является система ГЛОНАСС, которая в данное время еще находится в стадии развития и к 2009 г. планируется вывести на орбиту 24 спутника.

Низкоорбитальные спутники используются для поддержки мобильной связи, так как период оборота данных спутников составляет 1,5 – 2 ч, а время видимости 20 мин, зона покрытия 8000 км.

Наиболее известной низкоорбитальной спутниковой системой является система спутников Iridium вращающихся по 6 орбитам, проходящих через полюса Земли и содержащая 66 спутников.