Аверянов Современная информатика 2011
.pdfВ базе данных EIR (Equipment Identity Register – реестр обору-
дования) хранятся сведения об оборудовании мобильных станций. Она также используется для обеспечения безопасности (например, с ее помощью блокируются звонки с украденных телефонов, а также предотвращается использование сети станций, не прошедших аутентификации).
Основным стимулом перехода систем сотовой связи первого поколения к системам второго поколения была необходимость экономии частотного диапазона. Системы первого поколения оказались исключительно успешными, поэтому количество абонентов росло экспоненциально. Однако рост систем сотовой телефонии был ограничен возможностями частотного диапазона. Существует четыре основных метода разделения частотного диапазона между активными пользователями. Одним из них является пространст-
венное мультиплексирование (Space Division Multiplexing – SDM),
подразумевающее использование одного и того же диапазона в двух пространственно удаленных друг от друга. Именно эта идея лежит в основе сотовой связи. Одна и та же частота может использоваться в двух достаточно удаленных сотах так, чтобы сигналы не могли интерферировать друг с другом (как это отмечалось ранее).
Дальнейшее развитие систем сотовой связи связано с частотным мультиплексированием (Frequency – Division Multiplexing, TDM) и
кодовым мультиплексированием (Code Division Multiplexing, CDM), о принципах которых говорилось в гл. 3 применительно к кабельным системам передачи данных, локальным и глобальным вычислительным системам.
Таким образом, основные принципы характерные для сотовой связи, можно сформулировать следующим образом:
использование маломощных передатчиков с радиопокрытием небольших по размеру ячеек;
повторное использование частот в пределах одной зоны обслуживания;
поэтапное увеличение пропускной способности за счет расщепления ячеек;
обеспечение непрерывной связи в процессе перемещения объекта от ячейки к ячейке.
Все это привело в начале 80-х годов к созданию и массовому внедрению во всем мире сотовых систем подвижной радиосвязи.
421
Дальнейшее развитие систем беспроводной связи связано с созданием систем третьего поколения. Целью систем беспроводной связи третьего поколения является представление скорости передачи данных, достаточной для поддержки мультимедиа, передачи данных и видео в дополнение к обычной телефонной связи. Так, международный союз мобильных телекоммуникаций определил следующие возможности систем третьего поколения:
качество телефонной связи, сопоставимое с общедоступной коммутируемой телефонной сетью;
скорость передачи данных от 144 до 384 Кбит/с для пользователей, использующих различные средства передвижения (в зависимости от скорости передвижения);
поддержка скорости передачи данных 2,048 Мбит/с для офисного использования пользователем;
поддержка услуг, предоставляемых системами коммутации, как пакетов, так и каналов;
адаптивный интерфейс с Интернетом; более эффективное использование всего доступного частотного
диапазона; поддержка широкого спектра оборудования;
гибкость, позволяющая внедрять новые услуги и технологии. Одной из движущих сил современной коммуникационной технологии является тенденция к объединению универсальных персональных средств связи и универсального доступа. Первая концепция означает способность пользователя легко идентифицировать себя и задействовать любую систему связи (подразумевается как наземных, так и спутниковых услуг) в пределах одного государства, континента или даже глобально с помощью всего одной учет-
ной записи.
Вторая концепция означает способность в любом окружении для получения информационных услуг применять один и тот же терминал. Становится очевидно, что революция в области персональных компьютеров существенным образом затрагивает беспроводную связь. Так, система GSM с ее модулем идентификации абонента представляет собой большой шаг в этом направлении.
Среди технологий под общим названием PCS (Personal Communication Services – персональные коммуникационные услуги) можно назвать американскую и японскую системы, а также европей-
422
скую систему DECT (Digital European Cordless Telephone – евро-
пейский стандарт цифровой беспроводной связи). В этих системах могут использоваться низкоорбитальные и геостационарные спутники, а также наземные антенны.
Технология развивается стремительно. Среди характерных возможностей систем третьего поколения имеется уже реализованная возможность доступа к услугам ГВС – Интернет.
12.5. Беспроводное подключение узлов в локальных сетях
Беспроводная (wireless) связь в локальных сетях осуществляется в инфракрасном и радиочастотном диапазоне электромагнитных волн. Для организации беспроводного подключения узлов к сети требуется два компонента: точка доступа и беспроводной адаптер. Точка доступа представляет стационарное устройство, подключаемое к проводной локальной сети и имеющее приемопередатчик. Беспроводной адаптер, как правило, исполняется в виде карты расширения компьютера также снабженной приемопередатчиком. Выпускаются и внешние беспроводные приемопередатчики, подключаемые к сетевой карте компьютера (ETHERNET). Расстояние, на котором поддерживается связь между адаптером и точкой доступа, зависит от технологии связи, размеров антенн, особенностей электромагнитной обстановки в помещении. Для инфракрасной связи диапазон не превышает единиц метров; для радиосвязи, в зависимости от технологии, может быть в пределах 30 – 150 м, а при использовании внешних антенн может достигать нескольких километров.
Одна точка может обслуживать несколько мобильных узлов, но, естественно, чем больше узлов, тем меньше эффективная скорость передачи каждого из них. Если одной точки доступа недостаточно для охвата необходимой территории, устанавливается несколько точек и организуется роуминг (определение точки, обслуживающей конкретного мобильного абонента). Таким образом, формируется микросотовая система связи. Функции роуминга выполняются средствами точек доступа.
В 1997 г. был принят стандарт для беспроводных сетей IEEE 802.11 (в народе получивший название Wi-Fi), в котором определя-
423
ется несколько вариантов технологии физического и логического уровней.
Потребность в беспроводном подключении узлов к локальной сети возникает в ряде случаев использования локальных сетей на объектах здравоохранения, образования, торговли, а также для объединения локальных сетей, расположенных в разных зданиях.
Беспроводная связь требуется мобильным (в пределах офиса) пользователям, использующим в основном блокнотные ПК с интерфейсом PC Card, применяют ее и для подключения стационарных пользователей, расположенных вне зоны охвата кабельной сети.
Использование радиодоступа обостряет вопросы безопасности, поскольку среда передачи становится неконтролируемой и наряду с ростом потребности беспроводных сетей повышается интерес к средствам из взлома и это не единственное слабое место этих сетей:
-радиосигналы значительно ослабевают с расстоянием существенно быстрее, чем сигналы в любых кабельных каналах;
-радиоволны отражаются от стен, мебели и оборудования и идут от передатчика к приемнику сразу несколькими путями (в результате интерференции волн в точке приема могут возникать замирания сигнала);
-сигнал искажается радиопомехами от различного электрооборудования (микроволновые печи, стартеры автомобильных двигателей, лампы дневного света и т.п.);
-беспроводные радиосигналы принципиально уступают оптоволоконным, Ethernet и ADSL линиям по скорости и безопасности.
Вобычных ЛВС (как уже отмечалось) скорость передачи может достигать от 1 до 100 Гбайт/с, а в соответствии IEEE 802.11 b скорость беспроводных ЛВС не превышает 11 Мбайт/с. Оборудование, в котором реализованы новые протоколы IEEE 802.11 a и 11 g, позволяет реализовать 54 Мбайт/с, а вновь разрабатываемый стандарт предусматривает передачу данных со скоростью 108 Мбайт/с. Однако названные цифры отражают чрезмерно оптимистичный взгляд на возможности Wi-Fi. На самом деле в силу ряда причин скорость приходится снижать, так даже по протоколу IEEE 802.11 b скорость может падать до 1 Мбайт/с.
Всвязи с перечисленными трудностями отношение к беспроводным радиосетям до 2000 г. было сдержанным, однако в настоя-
424
щее время ситуация резко изменилась. Значительно возросшая потребность в ресурсах Internet, значительное увеличение мобильных пользователей ПК и т.п. привели к необходимости дальнейшего совершенствования связи, не привязанной к проводам.
Разработка версии Smart Wi-Fi, в которой предусмотрены меры борьбы с перегрузкой, разрешение конфликтов с помощью протокола Ethernet (CSMA/CA), борьба с помехами и эхоподавление, благодаря грамотному проектированию расположения станций, а также адаптация сети при изменении условий прохождения сигнала значительно изменило отношение к Wi-Fi.
К беспроводным сетям Wi-Fi стандартов IEEE 802.11 a, b, g все уже давно привыкли, в офисах эти сети используются наряду с проводными сетями, более того уже есть провайдеры Wi-Fi доступа в Internet для домашних пользователей и корпоративных клиентов.
Wi-Fi – не единственные сети, использующие беспроводные радиосигналы. К сетям радиочастотного диапазона относятся также региональные сети WiMAX. В отличие от Wi-Fi сетей они основаны на стандарте IEEE 802.16 d, принятом в 2004 г. для скоростного беспроводного обмена данными со стационарными пользователями на расстояниях до 50 км. Следует отметить, что максимальный радиус охвата Wi-Fi сетей не превышает нескольких сотен метров. Станции WiMAX передают сигналы большой мощности, которая зависит от используемого радиодиапазона. Скорость передачи данных в сетях WiMAX достигает 75 Мбайт/с, правда полоса пропускания распределяется по множеству пользователей.
Несмотря на первоначальное назначение технологии, разрабатывается стандарт для мобильных устройств IEEE 802.16 е, который известен как mobile WiMAX.
Беспроводные сети, соответствующие этому стандарту, будут предоставлять Интернет-доступ для ноутбуков и карманных компьютеров в радиусе нескольких километров.
Пока этот стандарт еще не принят, поэтому не ясно найдет ли эта технология массовое развитие и вряд ли WiMAX и Wi-Fi будут конкурировать, скорей всего каждая из этих технологий займет свою экономическую нишу (по аналогии с кабельными локальными и региональными сетями).
Безусловно, отсутствие «привязки» к проводу – важнейшее достоинство радиосетей, а решение ряда сложных технологических
425
проблем значительно увеличивает их возможности массового внедрения. Правда, разработки этих сетей увеличивают один «неприятный» вопрос, который все чаще поднимается при обсуждении сотовой связи, – вопрос электромагнитной совместимости и влияние слабых электромагнитных полей на организм человека. И, несмотря на заверения экспертов по данной проблеме (связанных с компаниями сотовой связи) об абсолютной безопасности подобных полей, существует и прямо противоположное мнение других экспертов (не связанных с компаниями сотовой связи) с некоторыми статистическими данными. Истина, по-видимому, как всегда, гдето посредине.
Еще один вид беспроводной связи, который в последнее время начинает широко применяться, – это использование световых пучков, несущих кодированные сигналы. Такие сети на основе светодиодов называют оптическими, потому что передача данных в них осуществляется видимыми или невидимыми (инфракрасными) световыми волнами.
В существующих оптических беспроводных системах используется крайне маломощное инфракрасное излучение (ИК). ИК-пучки уже достаточно давно используются в пультах дистанционного управления (ПДУ) телевизорами.
Оптические системы позволяют связать беспроводные цифровые устройства с информационным портом в помещении, который, в свою очередь, может быть связан с любой кабельной широкополосной сетью. Эта технология ограничивается отдельным помещением, внутри которого имеется ряд преимуществ перед радиоканалом:
во-первых, безынтерфереционные элементы с фокусировкой обеспечивают почти неограниченную ширину полосы для большого числа пользователей; деструктивная интерференция невозможна (в отличие от радиоволн), поскольку чувствительные элементы в активной зоне фотодиода поглощают волны независимо и затем усредняют поступающую информацию, взаимное уничтожение исключается;
во-вторых, она информационно безопасна, поскольку свет в отличие от радиоволн не проходит сквозь стены;
в-третьих, фотоны в отличие от радиоволн одинаковой частоты не создают взаимных помех (ширина полосы ограничивается толь-
426
ко максимальной скоростью, с которой устройства способны принимать поступающие данные);
в-четвертых, скорость передачи ИК-систем достигает гигабит в секунду (в радиосистемах, как отмечалось ранее, скорость достигает мегабит в секунду).
Исследователи занимаются концепцией оптической связи внутри помещений с начала 1980 г., когда была построена первая работоспособная системы. Ее развитие задержалось на десятилетие, поскольку к этому времени еще не появились потребности в беспроводном доступе к таким мультимедийным веб-услугам как поиск в Интернете, видеоконференции, телепередачи и кино по заказу (Интернет находится в младенческом соcтоянии), а Wi-Fi, да и WIMAX были мало пригодны для таких целей. Благодаря поразительному росту Интернета в последние годы ситуация кардинально изменилась и оптический вид связи оказался востребованным. Наряду с проблемой «последней линии» – трудности передачи широкополосной информации от высокоскоростных общенациональных сетей стационарным пользователям (о которой писали ранее) – возникала похожая проблема «последних футов» – сложности передачи широкополосного трафика от оконечного устройства стационарной сетевой структуры мобильным пользователям в помещениях. И эта проблема вполне успешно может решаться с помощью ИК-систем.
Хотя не все так просто. Оптические каналы связи работают лучше всего, когда передатчик направлен прямо на приемник как в привычных ПДУ для телевизоров и цифровых камер. Но такая система неприемлема для связи между всеми работниками офиса или передачи информации людям в местах их скопления. Нужен полный обхват помещения. Оптические сети должны распределять несущее информацию излучение по всему пространству помещения. Для этих целей были разработаны устройства, в которых несколько копий данных передается в виде сетки узконаправленных ИКлучей, заполняющих весь объем помещения в результате отражения от различных поверхностей в нем. Маломощные лучи, несущие одну и ту же информацию, соединяют порт доступа, подключенный к базовой структуре высокочастотной передачи данных, со всеми цифровыми устройствами в помещениях оборудованных ИК-приемником. В пространстве, заполненном множеством коди-
427
рованных лучей, пользователь может передвигаться по всему помещению, оставаясь все время на связи с системой, при потере контакта с одними лучами автоматически происходит подключение к другим. Сетка узких лучей работает с высокой скоростью передачи информации – до 1 Гбит/с.
ИК-системы оптической беспроводной связи будут, вероятнее всего, со временем вытеснены системами на основе светодиодов, излучающих белый свет, которые позволяют получить еще более широкую полосу и ряд других преимуществ. Правда, для внедрения беспроводных сетей на основе белых светодиодов разработчикам предстоит решить ряд проблем.
И в заключение необходимо отметить, что внедрению оптической беспроводной связи способствует грядущая технология обеспечения доступа стационарным пользователям доступа на «последней миле» – широкополосная связь по силовым линиям (Broad band over Power Lines, BoPL), в которой широкополосные данные передаются по существующим силовым линиям среднего или низкого напряжения к настенным розеткам в помещениях. Подобные услуги уже предлагаются в США, Испании, Нидерландах, Норвегии, Швеции, Южной Корее и Японии. Для использования широкополосного «моста» в оптических беспроводных приложениях нужно только включить в розетку электросети недорогой адаптер, способный передавать данные с помощью встроенного в него ИКпередатчика цифровым устройствам в помещении, имеющим ИКприемник.
Какое бы излучение – ИК или видимое – не было выбрано, операторы беспроводных цифровых устройств получат новую возможность «въехать в будущее на широкополосной волне». Оптическая беспроводная технология хорошо подходит для создания моста, обеспечивающего широкополосный цифровой доступ на всей площади нашего жилого или рабочего пространства, занимая свою экологическую нишу в локальных сетях.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите направления применения беспроводных систем передачи данных, основные достоинства и слабые стороны беспроводных систем.
428
2.Каковы особенности применения беспроводных средств связи
влокальных вычислительных сетях (ЛВС)? Перечислите разновидности и функциональные возможности радиосвязи. Расскажите об использовании инфракрасного излучения для передачи информации в ЛВС.
3.Перечислите основные типы радиосвязи, используемые в ГВС. Как зависит частотный диапазон от используемого типа радиосвязи?
4.В чем особенность спутниковой системы связи? Какие орбиты спутников используются для передачи данных? Назовите их сравнительные характеристики.
5.Перечислите основные системы подвижной радиосвязи, особенности сотовой связи, различия в системах AMPS и GSM.
429
СПИСОК ТЕРМИНОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ
Алгоритм шифрования – различные способы преобразования текста.
Аналоговые данные – физическая величина, которая может изменяться в непрерывном диапазоне значений. Величина прямо пропорциональна данным или является их функцией.
Аналоговый сигнал – непрерывно изменяющаяся электромагнитная волна, распространяющаяся в различных средах.
Асинхронный метод передачи (или стартстопный) – посимволь-
ный режим передачи с контролем начала и конца символа, имеет низкую скорость и малую эффективность.
Ассоциативная память – память, поиск информации в которой осуществляется одновременно во всех ячейках памяти по ее содержанию (содержимому), ассоциативному признаку, что позволяет в некоторых случаях существенно ускорить поиск и обработку данных.
Атрибуты – дополнительные параметры, определяющие свойства файлов.
Брандмауэр - основной аппаратный компонент для реализации методики управления доступом к объединенной сети.
Вандалы – специалисты в написании компьютерных вирусов и их разновидностей под названием «троянских коней».
Вектор – упорядоченный массив независимых чисел. Взломщики – профессиональные кракеры.
Вирусы-«черви» (worm) – вирусы, которые распространяются в компьютерной сети и не изменяют файлы или секторы на дисках.
Временное мультиплексирование – разделение системы переда-
чи на два или более канала путем поочередного подключения общей линии к разным информационным каналам.
Выделенный канал – канал с фиксированной полосой пропускания или фиксированной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов.
Глобальные или всемирные сети (GAN – Global Area Network) –
сети, которые предназначены для связи абонентов, расположенных в различных географических регионах, и включают в себя множество сетей различной протяженности – материковые (WAN – Wide Area Network), региональные или городские ГВС (MAN – Metropol-
430