Системы радиосвязи и сети телерадиовещания.-3

изменение значения мощности передается со станции сопряжения. Аппаратура СС измеряет уровень принимаемого сигнала от каждого терминала индивидуально, сравнивает его с пороговым и передает команду абоненту на увеличение или уменьшение мощности. Эта процедура позволяет выровнять сигналы на входе ретранслятора, снизить уровень взаимных помех и максимизировать пропускную способность.

Пропускная способность

Пропускная способность КА, определяемая как максимальное число эквивалентных каналов по 2,4 кбит/с, в зоне, создаваемой 16-лучевой антенной, по оценке разработчиков cистемы Globalstar составляет 2400 каналов. Реальная пропускная способность будет ниже, вследствие работы на более высокой скорости (4,8 кбит/с), а также возможности использования одного канала в смежном КА при ведении связи с одним наземным абонентом.

Стоимость услуг и сроки развертывания

На территории России уже построены 3 станции сопряжения (в Москве, Новосибирске Хабаровске), которые обеспечивают охват 98% территории России с гарантированным качеством услуг южнее 70° с.ш. Все станции российского сегмента объединены в единую наземную сеть, связанную с центром управления Globalstar. Национальным оператором в России является ЗАО «ГлобалТел», которое основано ОАО «Ростелеком» и компанией Globalstar. Коммерческая деятельность на территории РФ по предоставлению услуг связи населению началась в конце 2000 г., планируемый рынок

Globalstar России – 7,5% мирового.

Общая стоимость проекта Globalstar составляет около 2,6 млрд. долл., хотя реально эта сумма выше, так как в нее не включены затраты на строительство 150–210 станций сопряжения. Предполагаемые эксплуатационные расходы в год достигнут 227 млн. долл.

Ориентировочная стоимость основных элементов системы Globalstar: КА – 14 млн. долл., станция сопряжения – 6,5 млн. долл., радиотелефонный терминал – 700–1000 долл., стационарный терминал – не более 2,5 тыс. долл.

В среднем тариф за телефонный разговор составит 1 долл. в минуту.

Таблица 6.9. Плюсы и минусы системы Глобалстар

Система спутниковой связи Глобалстар

Очень портативные и легкие телефоны, размером и весом немного больше сотового + телефона

+ Простая в использовании, есть подробные инструкции на русском языке

Автоматическое переключение между спутниковой и сотовой связью (если телефон определил, что он находится в зоне покрытия оператора сотовой связи, с которым у + Глобалстар есть договор, телефон автоматически переключается на сотовую связь, а в ее

отутствие - использует спутниковый канал)

+ Относительно невысокая стоимость телефонов (от $699)

Относительно недорогой трафик (от $1.39 при использовании спутникового канала, еще

+дешевле - при переключении на сотовый канал)

+Большое количество дополнительных аксессуаров, включая автомобильные комплекты, факсы и т.д.

Дополнительное разрешение на использование не требуется (однако перед ввозом такого - телефона в каждую конкретную страну желательно ознакомиться с ее законодательством - в некоторых странах использование телефонов запрещено или ограничено)

7. БЕСПРОВОДНЫЕ ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ НА ОСНОВЕ СТАНДАРТОВ IEEE 802.11

Беспроводные локальные компьютерные сети, или сети Wi-Fi, или иначе сети стандарта IEEE 802.11 приобретают всё большую популярность и сегодня можно с уверенностью сказать: «Технология Wi-Fi меняет мир». Эти изменения касаются того, как мы работаем, играем и взаимодействуем друг с другом.

В течение нескольких лет беспроводные сети проходили процесс стандартизации, цена становилась доступнее, улучшалась технология производства аппаратуры.

Сегодня БС позволяют предоставить подключение пользователей там, где затруднено кабельное подключение или необходима полная мобильность. При этом беспроводные сети без проблем взаимодействуют с проводными сетями.

А если учитывать, что потребность в беспроводном доступе к локальным сетям, к сети Интернет растёт по мере увеличения числа мобильных устройств, таких как ноутбуки

икарманные компьютеры, то можно сказать что мы наблюдаем настоящий взрыв технологий беспроводных локальных сетей.

Область применения беспроводных локальных сетей безгранична, они применяются везде, где существует сложность прокладки кабеля и требуется мобильность пользователей. Это малый офис и большое предприятие, выставки презентации и конференции, гостиницы и аэропорты, больницы, складские и торговые организации и многое другое.

Беспроводная локальная сеть зачастую является единственным экономически оправданным решением - когда кабельная система отсутствует или низкого качества, что наблюдается в нашей стране.

Стандарт IEEE 802.11, разработка которого была завершена в 1997г., является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимы для организации беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них – протокол управления доступом к среде MAC (Medium Access Control – нижний подуровень канального уровня)

ипротокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения.

Рис. 7.1. Уровни модели ISO/OSI и их соответствие стандарту 802.11

Стандарт IEEE 802.11 играет для радиосетей такую же интегрирующую роль, как стандарт IEEE 802.3 для сетей Ethernet и IEEE 802.5 для Token Ring.

Стандартом IEEE 802.11 определен единственный подуровень MAC, взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня, соответствующих различным технологиям передачи сигналов - по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS) и перескоком частоты (FHSS) , а также с помощью инфракрасного излучения. Спецификациями стандарта предусмотрены два значения скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит/с.

По сравнению с проводными ЛС Ethernet возможности подуровня MAC расширены за счет включения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высокого уровня, 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 IEEE 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance -

множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением коллизий).

На сегодняшний день существует множество модификаций стандарта IEEE 802.11, рассмотрим наиболее популярные из них.

Стандарт IEEE 802.11а

Является наиболее "широкополосным" из семейства стандартов IEEE 802.11, предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 г., определены три обязательных скорости - 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с).

В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями IEEE 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 радиотехнологиями DSSS и 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.

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.

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

Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала.

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

Стандарт IEEE 802.11g

Данную модификацию стандарта можно считать панацеей от всех бед, т.к. здесь сочетаются скорость IEEE 802.11a (54 Мбит/с) и совместимость с сетями IEEE 802.11b. Конечно же, максимальная скорость в 54 Мбит/с достигается только при работе с подобными устройствами. Если же беспроводная сеть является смешанной, то есть в ней присутствуют и устройства совместимых стандартов (IEEE 802.11b или IEEE 802.11b+), то максимальная скорость обмена данными будет ограничена пиковой скоростью обмена старых устройств.

Скоростные свойства стандартов

Подавляющее число беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network, WLAN) работает сегодня в полосе частот 2,4 ГГц в соответствии со стандартом передачи данных IEEE 802.11b. Стандарт IEEE 802.11b представляет собой первое расширение стандарта IEEE 802.11 с повышенной скоростью передачи данных см. Таблицу 7.1. Для него новым видом модуляции стала дополняющая манипуляция кодом (Code

Complementary Keying, CCK).

Таблица 7.1. Скорость передачи данных в стандарте IEEE 802.11b

Повышением скорости передачи данных в полосе частот 2,4 ГГц (по программе «Дальнейшее повышение скорости передачи в диапазоне 2,4 ГГц») занималась рабочая группа IEEE 802.11g. Ее целью являлось внедрение новых видов модуляции, например ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), и тем самым повышение скорости передачи в полосе частот 2,4 ГГц, максимальное значение которой на данный момент составляет 54 Мбит/с.

Проект стандарта в качестве обязательных методов модуляции определяет CCK и OFDM. Таким образом, это расширение остается обратно совместимым с существующими приложениями стандарта IEEE 802.11b. Дополнительно, как опциональные методы передачи данных, были введены кодировка с двоичной сверткой пакетов (Paket Binary Convolution Coding, PBCC) и ССК-OFDM (см. Таблицу 7.2).

Таблица 7.2. Скорость передачи данных в стандарте IEEE 802.11g

Радиус действия в полосе 2,4 ГГц

Практическим правилом передачи данных в беспроводных локальных сетях является обратно пропорциональная зависимость между скоростью передачи данных и радиусом действия: чем больше скорость, тем меньше радиус. С точки зрения техники передачи это объясняется тем, что при повышении скорости передачи чувствительность радиоприёма снижается соответствующим образом. В Таблице 7.3 приведена чувствительность приемников наиболее распространенных систем IEEE 802.11b.

Таблица 7.3. Чувствительность приемника распространенных систем стандарта IEEE 802.11b при различных скоростях передачи данных

На каком расстоянии может находиться мобильный абонент при такой чувствительности, определено в Таблице 7.4.

Таблица 7.4. Средний радиус действия стандартных точек доступа IEEE 802.11b

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.

Таблица 7.5. Чувствительность приемника радиокарты IEEE 802.11g при различных скоростях передачи данных.

В Таблице 7.5 представлены данные о чувствительности приемников радиокарт стандарта IEEE 802.11g при различных скоростях передачи данных. В случае стандартов IEEE 802.11b и IEEE 802.11g при сравнимых скоростях передачи данных в 11 и 12 Мбит/с соответственно чувствительность приемников равна 82 дБм (децибел милливатт). Более высокая скорость передачи в стандарте IEEE 802.11g приводит к заметному сокращению чувствительности приемника, а вместе с ней и ожидаемого радиуса действия.

Рис. 7.2. Радиус действия в частотном диапазоне 2,4 ГГц (802.11g) при модуляции OFDM: скорость передачи данных 54 Мбит/с достигается лишь на расстоянии до 14 м

На Рисунке 7.2 такой переход представлен схематически. Скорость передачи в 54 Мбит/с достигается в открытой офисной среде лишь на расстоянии до 14 м. При наличии какого-либо препятствия (к примеру, перегородки), которое должно быть преодолено, скорость снижается. Чувствительность при 11 Мбит/с (в случае модуляции CCK/802.11b) и чувствительность при 12 Мбит/с (в случае модуляции OFDM/802.11g), как правило, совпадают, поэтому такая скорость передачи может поддерживаться на расстоянии до 40 м от точки доступа.

Архитектура беспроводных сетей

IEEE 802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (Network Interface Card, NIC), и точку доступа (Access point, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (IEEE 802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных. В качестве беспроводной станции может выступать ISA, PCI или PC Card сетевая карта в стандарте 802.11, либо встроенные решения, например, телефонная гарнитура IEEE 802.11.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим "Ad-hoc" (или каждый с каждым) и клиент/сервер (или режим инфраструктуры – infrastructure mode). В режиме клиент/сервер (рис. 7.3.) беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS). Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Рис. 7.3 Архитектура сети "клиент/сервер"

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка, или независимый базовый набор служб, IBSS) – это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа (рис. 7.4). Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

Рис. 7.4 Архитектура сети "Ad-hoc"

Базовые механизмы защиты данных в беспроводных сетях. Технология DSSS и FHSS.

Технология DSSS (расширение спектра радиосигнала по принципу прямой последовательности) использует шумоподобный сигнал (ШПС) для передачи данных в радиоэфире на частотах в диапазоне 2400 - 2485 МГц.

DSSS технология была разработана ранее для применения в военных радиосистемах с высокой помехозащищенностью и с низкой вероятностью радиоперехвата.

Пропускная способность современных DSSS систем стандарта IEEE 802.11b - 11 Мбит/сек.

DSSS системы имеют ширину излучения 22 МГц и используют последовательности длиной 11бит, что позволяет создавать 11 кратную избыточность сигнала, а, следовательно, повысить в 11 раз помехоустойчивость системы.

DSSS системы могут работать при слабом сигнале, обеспечивая передачу данных на большие расстояния.

На данный момент на рынке также представлена еще одна технология стандарта

IEEE 802.11 - FHSS (Frequency-Hopping Spread-Spectrum - расширение спектра радиосигнала путем скачкообразной перестройки частоты).

При методе DSSS каждый информационный символ представляется 11-разрядным кодом Баркера вида 11100010010. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами шумоподобности, что и обусловило их

применение в аппаратуре беспроводных сетей. Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются прямая и инверсная последовательности соответственно. Для модуляции несущего колебания в этом случае используются уже не исходные символы сообщения, а прямые или инверсные последовательности Баркера, так, как показано на рис. 7.4:

Рис. 7.4. Формирование широкополосного сигнала по методу DSSS

Спектр мощности сигнала с DSSS показан на рис. 7.5. Там же, для сравнения, показан спектр мощности сигнала, используемого при традиционных технологиях передачи. Из рисунка видно, что при переходе к DSSS происходит "размазывание" мощности сигнала в полосе частот, в 11 раз превышающей полосу исходного узкополосного сигнала. Здесь следует упомянуть о довольно часто встречающемся в литературе тезисе о том, что при переходе к технологии DSSS возможна работа на пониженных мощностях передатчика. Это верно только в том смысле, что снижается спектральная плотность мощности излучаемого сигнала при неизменной излучаемой передатчиком мощности.

Рис. 7.5. Соотношение уровня шума и полезного сигнала при модуляции по методу DSSS.

Для лучшего понимания спектральных соотношений рассмотрим конкретный пример, характерный для аппаратуры фирмы Aironet. Передача ведется со скоростью 2 Мбит/с, что при использовании узкополосной технологии требует полосы частот 4 МГц. При переходе к технологии DSSS полоса частот расширяется в 11 раз и становится равной 44 МГц. В то же время, в документации на аппаратуру указано значение полосы частот, необходимой для передачи, равное 22 МГц. Это кажущееся несоответствие легко понять, если внимательно посмотреть на спектр сигнала с DSSS, показанный на рис. 4.2. По 25% полосы частот слева и справа заняты маломощными спектральными составляющими, которые обрезаются в передатчике, в результате ширина спектра передаваемого сигнала уменьшается вдвое и становится равной 22 МГц. Отсечение этих спектральных составляющих приводит к незначительному искажению формы передаваемого сигнала, практически не влияющему на качество передачи.

В приемнике полученный сигнал умножается на код Баркера, в результате он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, поэтому в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, примерно в 11 раз меньшая по мощности помехи, действующей на входе приемника. В результате демодуляции полученного узкополосного сигнала, выполняемой с помощью обычного демодулятора, выделяется передаваемое сообщение. Главной проблемой, возникающей при решении этой задачи, является обеспечение синхронизации приемника по передаваемому сигналу. На уровне физического канала необходимо обеспечить синхронизацию по фазе несущего колебания, тактовой частоте кода Баркера и тактовой частоте сообщения. Для решения этой задачи передатчик не реже, чем один раз за 100 мс передает специальный синхросигнал. При плохом качестве канала частота передачи синхросигнала может быть увеличена изменением соответствующего пункта в меню настройки аппаратуры.

Применение технологии DSSS позволяет также эффективно бороться с интерференционной помехой, возникающей в результате отражения сигнала от стен и местных предметов, что особенно актуально для закрытых помещений.

При методе FHSS передача ведется обычными методами, как в традиционных узкополосных системах, но несущая частота сигнала периодически изменяется, что позволяет легко исправить ошибочно принятые на пораженной помехами частоте блоки, путем их повторной передачи на другой частотной позиции. Порядок следования частот должен быть одинаковым на передающей и приемной стороне или у всех устройств сети при сетевом варианте использования. Это достигается одинаковой настройкой аппаратуры и передачей специальных синхросигналов, определяющих моменты начала очередного цикла смены частот.

Стандартом IEEE 802.11 предусмотрено использование 79 частотных позиций при времени передачи на каждой в течение 20 мс. Порядок смены частотных позиций определяется псевдослучайным кодом, что обеспечивает определенную конфиденциальность передачи.

Рис. 7.6. Частотные скачки при формировании сигнала по методу FHSS

Для примера на рис. 7.6 представлена частотно - временная матрица сигнала FHSS, состоящая из 7 частотных позиций. После использования всех частот начинается их повторное использование в уникальном, установленном для данной пары передатчик - приемник или сети, порядке.

Следует оговориться, что защита информации, обеспечиваемая методами FHSS и DSSS не надежная, и представляет собой лишь дополнительная функцию, основное же предназначение методов расширения спектра это обеспечение надежности связи в условиях многолучевости.

Таблица 7.6. Сравнение технологии DSSS и FHSS

c использованием технологии DSSS в диапазоне 2,4 ГГц могут одновременно работать (без перекрытия) три станции. С использованием технологии FHSS число таких станций равно 26 – число возможных последовательностей в одном сете (больше невозможно по требованию 6 МГц);

дальность приема/передачи с использованием DSSS больше чем при FHSS, за счет более широкого спектра несущей;

когда уровень шума превышает некоторый определенный уровень, DSSS станции перестают работать вообще, в то время как FHSS станции имеют проблемы только на отдельных частотных скачках, что легко разрешается и в этом смысле последние считаются более помехозащищенными;