Лекция №8

Технологии беспроводных сетей передачи данных. Спутниковые сети связи.

Вопросы:

1. Типы и область использования беспроводных сетей передачи данных.

2. Специальное сетевое оборудование для построения беспроводных сетей передачи данных..

3. Городские опорные сети с беспроводным доступом.

4. Спутниковые сети связи.

Цели и задачи изучения темы: получение представления о беспроводных технологиях передачи данных, городских опорных сетях с беспроводным доступом, спутниковых сетях связи.

Изучив тему, студент должен:

• знать понятие и сущность беспроводных технологий передачи данных, городских опорных сетей с беспроводным доступом, спутниковых сетей связи.

• иметь представление о беспроводных технологиях передачи данных, как совокупности методов и требований к беспроводным сетям передачи данных, специальном сетевом оборудовании для построения беспроводных сетей, спутниковых сетях связи.

Изучая тему, необходимо акцентировать внимание на следующих понятиях: беспроводная сеть, мобильная сеть, беспроводные локальные сети, эпизодическая сеть, инфракрасные локальные сети, динамическая конфигурация, опорные сети с беспроводным доступом, беспроводные мосты, сетевые адаптеры, спутниковые сети связи.

8.1 Типы и область использования беспроводных сетей передачи данных

Как понятно из названия, беспроводная сеть связана с беспроводной средой передачи данных. До недавнего времени беспроводные сети использовались не очень интенсивно. Среди причин – высокие цены, низкие скорости передачи данных, проблемы профессиональной безопасности, необходимость лицензирования. По мере того как решались эти проблемы, популярность беспроводных сетей быстро росла.

По областям применения средства беспроводной связи делятся на:

• мобильные сети;

• беспроводные локальные сети.

К мобильным сетям передачи данных относятся:

• сотовые сети с коммутацией пакетов и каналов;

• спутниковые сети связи.

Беспроводные локальные сети применяются для связи:

• внутри зданий;

• между зданиями;

• организации кочевого доступа;

• организация эпизодических сетей.

Связь внутри здания

Беспроводная локальная сеть внутри здания представляет собой одноячеечную или многоячеечную беспроводную локальную сеть.

В одноячеечной локальной (рис. 8.1) сети все беспроводные конечные системы находятся в сфере влияния одного модуля управления.

В многоячеечной локальной (рис. 8.2) сети имеется несколько модулей управления, связанных проводной локальной сетью. Каждый модуль управления поддерживает несколько беспроводных конечных систем в пределах своей области связи. Например, в локальной сети, использующей передачу в инфракрасном диапазоне, передача ограничена одной комнатой, следовательно для каждой комнаты офисного здания нужна отдельная ячейка.

Рис.8.1. Одноячеечная конфигурация

Рис 8.2.. Многоячеечная конфигурация

Связь между зданиями.

Беспроводная связь межу зданиями используется в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других каналов связи. В этом случае соединение локальных сетей близлежащих зданий, имеющих проводные или беспроводные локальные сети, осуществляется с применением технологии беспроводных сетей. Для обеспечения связи между двумя зданиями используется двухточечный беспроводной канал связи. Как правило, таким образом соединяются мосты или маршрутизаторы. Этот единственный канал передачи сам по себе не является локальной сетью, но его принято рассматривать как один из способов применения беспроводных локальных сетей.

Кочевой доступ.

Кочевой доступ (рис. 8.3) представляет собой беспроводной канал связи между концентратором локальной сети и мобильным информационным терминалам, снабженным антенной. Он так же используется для связи между подразделениями одного предприятия расположенными за пределами блока зданий. Пользователи со своими портативными компьютерами могут перемещаться и связываться с серверами проводной локальной сети из различных ест.

Рис 8.3. Кочевой доступ

Эпизодическая сеть

Эпизодическая сеть – это одноранговая сеть (без централизованного сервера) настроенная временно для срочно удовлетворения некоторых потребностей. Например группа сотрудников, каждый из которых обладает лэптопом или карманным компьютером, может собраться в конференц-зале для деловой встречи. Сотрудники соединяют свои компьютеры во временную сеть только на период встречи.

Рис. 8.4. Эпизодическая сеть

Технология беспроводных локальных сетей

Беспроводные локальные сети обычно классифицируются согласно использованной в них технологии передачи. Все беспроводные локальные сети относятся к одной из следующих технологий.

Инфракрасные локальные сети

Отдельная ячейка сети, использующая передачу в инфракрасном диапазоне, ограничена размером одной комнаты, поскольку инфракрасное изучение не проходит сквозь непрозрачные станы.

Локальные сети СВЧ с расширенном спектром.

Данный тип локальных сетей использует при передаче технологию расширенного спектра. Они используют радиочастотные диапазоны для промышленного, научного и медицинского применения, поэтому при их использовании не требуется лицензия..

Узкополосная СВЧ – передача.

Эти локальные сети работают на СВЧ, но не используют расширенные спектр. Некоторые из этих продуктов работают на частотах, требующих лицензии, другие используют нелицензируемые частоты.

Требования к беспроводным локальным сетям.

Беспроводные сети должны удовлетворять некоторым требованиям, типичным для всех локальных сетей в том числе высокая пропускная способность, возможность охвата небольших расстояний, связанность подключенных станций и возможность широковещания. Кроме того, существует набор требований, характерных только для беспроводных локальных сетей. Перечислим важнейшие из них.

Производительность

Протокол управления доступом к среде должен максимально эффективно использовать беспроводную среду для максимизации пропускной способности.

Число узлов

От беспроводных локальных сетей может требоваться поддержка сотен узлов из множества ячеек.

Соединение с магистральной локальной сетью.

Это требование удовлетворяется посредством использования модулей управления, присоединяемых к локальным сетям.

Обслуживаемая область

Типичная сфера охвата беспроводной локальной сети имеет диаметр 100-300 м.

Потребление питания от батарей

Мобильные сотрудники используют рабочие станции с питанием от батарей потребление которой не должно быть большим при использовании беспроводных адаптеров. Это обеспечит непрерывное слежение за точками доступа.

Устойчивость передачи и безопасность

Структура беспроводной локальной сети должна обеспечивать надежную передачу даже в обстановке шума, а так же некоторый уровень защиты от прослушивания.

Совместная работа в сети

Работа нескольких пользователей сети без помех друг другу и запрещать несанкционированный доступ к отдельной локальной сети.

Работа без лицензии

Работа на нелицензированной полосе частот.

Динамическая конфигурация.

Сетевое управление локальной сети должно позвать динамическое и автоматическое добавление, удаление и переключение конечных систем, не причиняя неудобств другим пользователям.

В беспроводных локальных сетях используются две технологии: передача в инфракрасном (ИК) диапазоне и радиопередача в СВЧ –диапазоне. ИК диапазоне - передача имеет несколько преимуществ перед СВЧ-передачей:

• спектр для ИК передачи неограничен, что дает возможность получать весьма высокие скорости передачи;

• для ИК диапазона не существует стандартов;

• ИК- излучение не проникает сквозь стены или другие непрозрачные объекты, что облегчает защиту от прослушивания и в каждой комнате здания может существовать локальная сеть;

• относительная простота и дешевизна оборудования.

Основным недостатком сетей с ИК излучениям является не большая дальность связи, в пределах видимости, подверженность оптическим помехам.

Методы передачи в ИК диапазоне

В настоящее время для передачи информации в ИК диапазоне используется три альтернативных метода:

• сигнал может быть сфокусированным и направленным;

• может излучаться равномерно во всех направлениях;

• может отражаться от светлоокрашенных потолков.

8.2. Специальное сетевое оборудование для построение для построения беспроводных сетей передачи данных.

К основным типам оборудования относятся:

• сетевые адаптеры;

• беспроводные мосты;

• устройства (точки) доступа в кабельную сеть;

• радиомодули;

• маршрутизаторы и коммутаторы;

• модемы (модулятор / демодулятор);

• концентраторы.

Функции сетевых адаптеров:

• буферизация, т.е. согласование скоростей приема-передачи;

• формирование пакетов данных;

• кодирование / декодирование и проверка правильности данных;

• организация обмена данными.

Беспроводные мосты обеспечивают соединение локальных сетей близлежащих зданий, имеющих проводные беспроводные локальные сети.

Устройство доступа в кабельную сеть используется для связи беспроводных сегментов с кабельными сетями.

Маршрутизаторы и коммутаторы служат для реализации функций маршрутизации и коммутации при управлении трафиком сегментированных сетей, с проверкой корректности данных, упрощают создание логических сетей, в составе концентратов с высокоскоростными переключаемыми магистралями позволяют достичь приемлемого варианта организации сетевых соединений.

Модемы служат для согласования цифровых сигналов с аналоговыми каналами.

Концентраторы –служат для формирования сети произвольной топологии

8.3. Городские опорные сети с беспроводным доступом

Городские сети - это промежуточное звено между локальными и глобальными сетями. Городские опорные сети состоят из нескольких узлов доступа, в центре каждого из которых установлен беспроводный маршрутизатор со всенаправленной антенной, обеспечивающей доступ абонентов к опорной сети.

Узлы доступа связанны между собой беспроводными магистралями на базе сетевых адаптеров с всенаправленными антеннами, либо с помощью опорной сети на оптоволоконном кабеле.

Максимальная дальность связи при работе со всенаправленной антенной составляет до 8 км, а с направленной антенной до 50 км.

Основным рынком для городских сетей являются заказчиками с большими требованиями к пропускной способности в городских масштабах. Городская сеть предназначена для удовлетворения этих требований за меньшую цену и большей эффективности, чем могут локальные телефонные сети.

4 Спутниковые сети связи

Появление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в передаче информации, как изобретение телефона.

В общем случае любая спутниковая система связи состоит из трех сегментов:

• космического (группы космических спутников –ретрансляторов (СР);

• наземного (наземные станции обслуживания, станции сопряжения);

• пользовательского (терминалы, находящиеся у потребителя.

Космическую составную систему спутниковой связи по высоте орбиты (СР) можно подразделить на:

• геостационарные орбиты (спутник-ретранслятор (СР) связи запускаются на высоту 36 тысяч км на геостационарную орбиту, плоскость которой параллельна плоскости экватора. При уравновешивании скоростей вращения земли и спутника вокруг земли, спутник как бы «зависает» над неподвижной точкой Земли. Разнесение спутников друг от друга на 120⁰ ( три спутника) позволяет охватить почти всю поверхность Земли. Временная задержка передачи сигнала примерно 600 мс;

• средневысокие круговые или эллиптические орбиты высота 5000-15000 тыс. км, количество необходимых СР 8-12, временная задержка 250-400 мс;

• низкие круговые или близкие к круговым орбиты, высота 500-2000 км, количество 48-66 , временная задержка –170-300 мс.

Наземная часть представляет совокупность комплексов, в состав каждой из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радиоканалу ( пропускная способность 2 Мбит\с) через направленную антенну диаметром 1…3 м и приемопередающую аппаратуру. АП подключаются к ЦС по схеме “звезда” c помощью многоканальной аппаратуры или по радиоканалу через спутник. Те АП которые соединяются по радиоканалу имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя частота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП.

Рис 8.5. Схема спутниковой связи.

Большинство существующих спутниковых систем связи имеют геостационарные спутниковые группировки, что легко объяснимо: небольшое количество спутников, охват всей поверхности земли. Однако большая задержка сигнала делает их применимыми, как правило, только для радио- и телевещания. Для систем радиотелефонной связи большая задержка сигнала крайне нежелательно, так как приводит к плохому качеству связи и повышению стоимости обслуживания.

Спутниковые сети связи можно классифицировать по следующим признакам.

По области применения:

• телефония;

• передача данных;

• передача изображений;

• телеметрия;

• метрология;

• радиовещание;

По признаку доступа к бортовому ретранслятору системы с закрепленными каналами:

• системы с многосанкционированным доступом с временным, частотным и кодовым разделением;

• системы с одним каналом на несущею или группой каналов на несущею.

По методам передачи:

• цифровые и аналоговые системы;

• с частотной или фазовой модуляцией;

• с помехоустойчивым последовательным или блочным кодированием

В спутниковых системах связи используются антенны СВЧ – диапазоны частот. Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне 14/12 ГГц (первая цифра частота работы по звену Земля - спутник, а вторая частота работы по звену спутник - земля). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальными устройствам – транспондером.

Для управление передачей между спутникам и наземными радиотелеметрическими станциями (РТС) используются следующие способы:

1. Обычное мультиплексирование – с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектр радиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого трафика. Во втором случае весь временной спектр делиться между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются представленными временными квантами (слотами).

2. Обычная дисциплина «первичный/вторичный» с использованием методов и средств опроса/выбора. Цикл проса и выбора занимает значительное время, обычно при наличии в сети большого количества АП. Поэтому время реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.

3. Дисциплина управления типа «первичный/вторичный» без опроса, с реализациями множественного доступа с квантованием времени. Здесь слоты назначаются первичной ЦС, называемой эталонной. Принимая запросы от других ЦС, эталонная станция в зависимости от характера трафика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.

4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерно, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. Существует несколько вариантов этой системы: система реализующая метод сучайного доступа; равноранговая приоритетная слотовая система и др.

Преимущество спутниковых сетей связей:

• большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи;

• обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

• независимость стоимости передачи информации от расстояния между абонентами;

• возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств.

Недостатки:

• необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных на предотвращение возможности перехвата данных «чужими» станциями;

• наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из – за большого расстояния между спутникам и РТС;

• возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

• подверженность сигналов на участке Земля – спутник и спутник – Земля влиянию различных атмосферных явлений.