2.3.2. Реализация беспроводных систем
Двухточечная связь. Типичная схема проводного двухточечного канала является популярной и для беспроводной связи. По двухточечной схеме могут работать беспроводные каналы различного назначения, использующие различные диапазоны частот.
В телекоммуникационных первичных сетях такая схема уже долгое время используется для создания так называемых радиорелейных линий связи. Такую линию образуют несколько башен, на которых установлены параболические направленные антенны. Каждая такая линия работает в микроволновом диапазоне на частотах в несколько ГГц. Направленная антенна концентрирует энергию в узком пучке, что позволяет передавать информацию на значительные расстояния, обычно до 50 км. А высокие башни обеспечивают прямую видимость антенн.
Пропускная способность линии может быть достаточно высокой, в пределах от нескольких единиц до нескольких сотен Мбит/с. Такие линии могут быть как магистральными, так и линиями доступа (в последнем случае они имеют один канал). Операторы связи часто используют такие линии, когда прокладка оптоволокна невозможна или экономически невыгодна.
Радиорелейная линия связи может использоваться и в городе для соединения двух зданий. Поскольку высокая скорость в таком случае нужна не всегда (например, если нужно соединить небольшой сегмент ЛС с основной ЛС предприятия), то здесь могут применяться радиомодемы, работающие в AM-диапазоне. Для связи двух зданий может использоваться и лазер, обеспечивающий при соответствующем состоянии атмосферы скорость до 155 Мбит/с.
Беспроводная связь может использоваться и для соединения двух компьютеров. Такая линия образует простейший сегмент ЛС, поэтому расстояния и мощности сигнала здесь принципиально иные.
В пределах одного помещения могут использоваться:
диапазон инфракрасных волн. Большинство современных ноутбуков оснащено встроенным инфракрасным портом, поэтому такое соединение может быть образовано автоматически, как только порты двух компьютеров окажутся в пределах прямой видимости (или видимости отраженного луча);
микроволновый диапазон. Этот вариант работает в пределах нескольких десятков или сотен метров. Предельное расстояние предсказать невозможно, поскольку при распространении микроволнового сигнала в помещении происходят многочисленные отражения, дифракции и рассеивания, к которым добавляются эффекты проникновения волн через стены и межэтажные перекрытия.
Связь одного источника и нескольких приемников. Схема такого беспроводного канала характерна для организации доступа, когда многочисленные пользовательские терминалы соединяются с главной, так называемой базовой станцией (Base Station). Такие беспроводные линии используются как для фиксированного доступа, так и для мобильного.
Вариант фиксированного доступа с помощью микроволновой линии связи использует одну высокую башню, возможно, телевизионную, чтобы обеспечить прямую видимость антенн, установленных на крышах зданий клиентов. Фактически это может быть набор двухточечных линий связи зданий с базовой станцией. Но такое решение расточительно, поскольку требует на башне отдельную антенну для каждого здания. Поэтому для экономии обычно применяют антенны, захватывающие определенный сектор, например, 45˚. Тогда за счет нескольких антенн можно обеспечить связь на все 360˚ на расстояние в несколько километров.
Пользователи линий доступа могут обмениваться информацией только с базовой станцией, которая транзитом может обеспечить взаимодействие между отдельными пользователями.
Базовая станция обычно соединяется проводной связью с проводной частью сети, обеспечивая взаимодействие с пользователями других базовых станций или пользователями проводных сетей. Именно поэтому базовая станция также называется точкой доступа (Access Point). Точка доступа включает не только DCE-оборудование, необходимое для образования линии связи, но и чаще всего является коммутатором сети, доступ к которой она обеспечивает – телефонным коммутатором или коммутатором пакетов.
В большинстве схем мобильного доступа сегодня используется принцип сот, представляющих небольшие по площади территории, обслуживаемые одной базовой станцией. Первые мобильные телефоны работали тоже с одной базовой станцией, но покрывавшей большую территорию. Идея небольших сот впервые была сформулирована в 1945 году, но первые пробные участки появились только в конце 60-х, а широкое коммерческое применение сот началось в начале 80-х годов.
Принцип разбиения всей области охвата сети на небольшие соты дополняется идеей многократного использования частот. На рис. 1.4 приведен пример организации сот с использованием всего лишь трех частот, причем в соседних сотах используются разные частоты.
Рис.1.4. Схема многократного использования частот в сотовой сети
Многократное использование частот позволяет сетевому оператору экономно расходовать выделенный ему частотный диапазон. В то же время абоненты и базовые станции соседних сот не испытывают проблем интерференции сигналов. Конечно, каждая базовая станция должна контролировать мощность своего излучаемого сигнала, чтобы не создавать помех несмежным сотам, работающим на той же частоте. При гексагональной форме сот число повторяемых частот может быть и больше, чем 3, например, 4, 7, 9, 12, 13 и т.д.
При известном минимальном расстоянии D между центрами сот, работающих на одной частоте, а также радиусе соты R число сот N определяется по формуле N = D2 / 3R2.
Небольшие соты обеспечивают небольшие габариты и мощность терминального устройства пользователя. Именно это и технологический прогресс позволили мобильным телефонам стать такими компактными.
Мобильные компьютерные сети пока не получили такого распространения, как телефонные, но принципы организации беспроводных линий связи в них остаются теми же.
Важной проблемой мобильной линии связи является переход терминального устройства из одной соты в другую, чему соответствует процедура эстафетной передачи. Эстафетная передача не нужна при фиксированном доступе, она относится к протоколам более высоких уровней.
Связь нескольких источников и нескольких приемников. В этом случае беспроводная линия связи представляет собой общую электромагнитную среду, разделяемую несколькими узлами. Каждый узел может использовать эту среду для взаимодействия с любым другим узлом, обходясь без базовой станции, на основе децентрализованного алгоритма доступа к среде. Чаще всего такой вариант беспроводного канала используется для соединения компьютеров.
Для телефонного трафика неопределенность в доле пропускной способности, получаемой при разделении среды, может резко ухудшить качество передачи голоса. Поэтому среда строится по ранее рассмотренной схеме с одним источником (базовой станцией на каждом компьютере) для распределения полосы пропускания и несколькими приемниками.
Сегодня такие сети передают данные со скоростью до 52 Мбит/с в микроволновом или инфракрасном диапазоне. Для связи каждого с каждым используются ненаправленные антенны. Чтобы инфракрасный свет распространялся в разных направлениях, применяются диффузные передатчики, которые рассеивают лучи с помощью системы линз.