Беспроводная разделяемая среда
Беспроводная линия связи строится в соответствии с достаточно простой схемой: каждый узел оснащается антенной, которая одновременно является передатчиком и приемником электромагнитных волн. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере или вакууме со скоростью 3 х 108 м/с во всех направлениях или же в пределах определенного сектора.
Направленность или ненаправленность распространения зависит от типа антенны. Параболическая антенна является направленной. Изотропные антенны, представляющие собой вертикальный проводник длиной в четверть волны излучения, являются ненаправленными. Они широко используются в автомобилях и портативных устройствах. Распространение излучения во всех направлениях можно также обеспечить несколькими направленными антеннами.
Так как при ненаправленном распространении электромагнитные волны заполняют все пространство (в пределах определенного радиуса, определяемого затуханием мощности сигнала), то это пространство может служить разделяемой средой – использоваться многими пользователями.Разделение среды передачи порождает те же проблемы, что и в локальных сетях, однако здесь они усугубляются тем, что пространство в отличие от кабеля является общедоступным, а не принадлежит одной организации.
Кроме того, проводная среда строго определяет направление распространения сигнала в кабеле, а беспроводная среда является ненаправленной.
Частотные диапазоны беспроводной связи
Характеристики беспроводной линии связи — расстояние между узлами, территория охвата, скорость передачи информации и т. п. — во многом зависят от частоты используемого электромагнитного сигнала.
На рис. 1 показаны диапазоны электромагнитного спектра. Можно сказать, что они и соответствующие им беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы.
Рис. 1 Диапазоны частот электромагнитного спектра
□ Радиодиапазон – это диапазон до 300 МГц. Он разделен на несколько поддиапазонов (они показаны на рисунке), от сверхнизких частот до сверхвысоких. Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц Они называются широковещательное радио. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19200 бит/с.
□ Микроволновые системы это несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц., объединяющие радиорелейные линии связи, телевизионные, мобильные и спутниковые каналы, беспроводные локальные сети. Т.е. это самый используемый диапазон.
□ Системы инфракрасных волн располагаются выше микроволновых диапазонов. Они также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то используются для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.
□ Системы видимого света В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.
Распространение электромагнитных волн
Перечислим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волн, связанные с частотой излучения.
■ Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации.
■ Чем выше частота, тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные радиоволны АМ-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходиться комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не проходят через стены, ограничивая передачу прямой видимостью.
■ Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстояниям от источника т.е. сильнее затухание сигнала.
■ Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли на расстояния всотни километров.
■ Сигналы частот от 2 до 30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут распространяться даже на более значительные расстояния, в несколько тысяч километров (при достаточной мощности передатчика).
■ Сигналы в диапазоне выше 30 МГц распространяются только по прямой, то есть являются сигналами прямой видимости.
■ При частоте свыше 4 ГГц их подстерегает неприятность — они начинают поглощаться водой, а это означает, что не только дождь, но и туман может стать причиной резкого ухудшения качества передачи микроволновых систем. Недаром испытания лазерных систем передачи данных часто проводят в Сиэтле, городе, который, известен своими туманами.
Потребность в скоростной передаче информации является главной, поэтому все современные системы беспроводной передачи информации работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества, которые сулят низкочастотные диапазоны благодаря распространению сигнала вдоль поверхности земли или отражения от ионосферы.
Проблемы помех
На электромагнитный сигнал воздействует множество искажений сигнала (отражение от домов, огибание препятствий и рассеивание) и внешних электромагнитных помех, которых в городе довольно много(например, микроволновые печи).
Проблема высокого уровня помех беспроводных каналов решается различными способами. Важную роль играют специальные методы кодирования, распределяющие энергию сигнала в широком диапазоне частот. Кроме того, передатчики сигнала (и приемники, если это возможно) стараются разместить на высоких башнях, чтобы избежать многократных отражений. Еще одним способом является применение протоколов с установлением соединений и повторными передачами кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Эти протоколы позволяют быстрее корректировать ошибки, так как работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня, такие как TCP
Типы спутниковых систем
Спутниковая связь используется для организации высокоскоростных микроволновых протяженных линий. Так как для таких линий связи нужна прямая видимость, которую из-за кривизны Земли невозможно обеспечить на больших расстояниях, то спутник как отражатель сигнала является естественным решением этой проблемы
Сегодня спутник может играть роль узла первичной сети, а также телефонного коммутатора и коммутатора/маршрутизатора компьютерной сети.
Для этого аппаратура спутников может взаимодействовать не только с наземными станциями, но и между собой, образуя прямые космические беспроводные линии связи. Принципиально техника передачи микроволновых сигналов в космосе и на Земле не отличается, однако у спутниковых линий связи есть и очевидная специфика — один из узлов такой линии постоянно находится в полете, причем на большом расстоянии от других узлов.
Орбита вращения спутника в общем случае является эллиптической, но для сохранения постоянной высоты над Землей спутники могут переходить на почти круговую орбиту.
Сегодня используется три группы круговых орбит, отличающихся высотой над Землей (рис. 10.11):
· геостационарная орбита (Geostationary Orbit, GEO) — 35 863 км;
· средневысотная орбита (Medium Earth Orbit, MEO) — 5000-15000 км;
- маловысотная орбита (Low Earth Orbit, LEO) — 100-1000 км.
Геостационарный спутник висит над определенной точкой экватора, в точности
следуя скорости вращения Земли. Такое положение выгодно по следующим
обстоятельствам. •
Во-первых, четверть поверхности Земли оказывается с такой высоты в зоне прямой видимости, поэтому с помощью геостационарных спутников просто организовать широковещание в пределах страны или даже континента.
Во-вторых, сам спутник неподвижен для наземных антенн, что значительно облегчает организацию связи, так как не нужно автоматически корректировать направление наземной антенны.
В.-третьих, геостационарный спутник находится за пределами земной атмосферы и меньше «изнашивается», чем низкоорбитальные и средневысотные спутники.
Геостационарные спутники обычно поддерживают большое количество каналов за счет наличия нескольких антенн. Антенны спутника создают сигнал, который можно принимать с помощью сравнительно небольших наземных антенн (около 1м).
Большое удалением спутника от поверхности Земли приводит к большим задержкам распространения сигнала и при передаче разговора или телевизионного диалога возникают неудобные паузы, мешающие нормальному общению.
Кроме того, на таких расстояниях потери сигнала высоки, что означает необходимость использования мощных передатчиков и тарелок больших размеров.
Принципиальным недостатком геостационарного спутника с его круговой орбитой является также плохая связь для районов, близких к Северному и Южному полюсам. Сигналы для таких районов проходят большие расстояния, чем для районов, расположенных в экваториальных и умеренных широтах, и, естественно, больше ослабляются. Решением является спутник с ярко выраженной эллиптической орбитой, который приближается к Земле как раз в районе Северного и Южного полюсов. Примером такого спутника являются спутники серии «Молния», которые запускаются Россией, имеющей большие территории на Крайнем Севере.
Место на орбите геостационарного спутника также регулируется союзом ITU. Сегодня наблюдается определенный дефицит таких мест, так как геостационарные спутники не могут располагаться на орбите ближе, чем 2° друг к другу. Из этого следует, что на орбите может находиться не более 180 геостационарных спутников. Так как не все страны в состоянии (пока) запустить геостационарный спутник, то здесь наблюдается та же ситуация, что и в конкурсе на получение определенного диапазона частот, только еще усиленная политическими амбициями стран.
К системам доступа в Интернет на основе геостационарных спутников относятся Spaceway, Astrolink, Euro Skyway. Они ориентированы на использование антенн VSAT и обещают предоставлять пользователям каналы 2-20 Мбит/с.
Среднеорбитальные спутники обеспечивают диаметр покрытия от 10000 до 15000 км и задержку распространения сигнала 50 мс. Наиболее известной услугой, предоставляемой спутниками этого класса, является глобальная система навигации (Global Positioning System, GPS). GPS — это всеобщая система определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве. GPS состоит из 24 спутников, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. По радиосигналам спутников GPS-приемники пользователей устойчиво и точно определяют координаты. Погрешности не превышают десятков метров. Этого вполне достаточно для решения задач навигации подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т. д.).
низкоорбитальные спутники противоположны по соответствующим качествам геостационарным спутникам. Главное их достоинство — близость к Земле, а значит, пониженная мощность передатчиков, малые размеры антенн и небольшое время распространения сигнала (около 20-25 мс). Кроме того, их легче запускать. Основной недостаток — малая площадь покрытия, диаметр которой составляет всего около 8000 км. Период оборота вокруг Земли такого спутника составляет 1,5-2 часа, и время видимости спутника наземной станцией составляет всего 20 минут. Это значит, что постоянная связь с помощью низкоорбитальных спутников может быть обеспечена, только когда на орбите находится достаточно большое их количество. Кроме того, атмосферное трение снижает срок службы таких спутников до 8-10 лет.
Если основным назначением геостационарных спутников является широковещание и дальняя связь, то низкоорбитальные спутники рассматриваются как важное средство поддержания мобильной связи.
Программное обеспечение спутников обеспечивает скорость передачи данных до 64Кбит/с. Это зависит от типа спутника
Лицензирование
Т.к электромагнитные волны могут распространяться во всех направлениях на значительные расстояния и проходить через препятствия, такие как стены домов, то проблема совместного использования электромагнитного спектра требует централизованного регулирования. В каждой стране есть специальный государственный орган, который (в соответствии с рекомендациями ITU) выдает лицензии операторам связи на использование определенной части спектра, достаточной для передачи информации по определенной технологии. Лицензия выдается на определенную территорию, в пределах которой оператор монопольно использует закрепленный за ним диапазон частот.
Существуют также три частотных диапазона, 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые рекомендованы ITU как диапазоны для международного использования без лицензирования1. Эти диапазоны предназначены для использования промышленными товарами беспроводной связи общего назначения, например устройствами блокирования дверей автомобилей, научными и медицинскими приборами. В соответствии с назначением эти диапазоны получили название ISM-диапазонов (Industrial, Scientific, Medical — промышленность, наука, медицина).
Диапазон 900 МГц является наиболее «населенным». Это и понятно, низкочастотная техника всегда стоила дешевле.
Диапазон 2,4 ГГц сегодня активно осваивается в технологиях беспроводных сетей.
Диапазон 5 ГГц только начал осваиваться, несмотря на то, что он обеспечивает более высокие скорости передачи данных.
Обязательным условием использования этих диапазонов на совместной основе является ограничение максимальной мощности передаваемых сигналов уровнем 1 Ватт. Это условие ограничивает радиус действия устройств, чтобы их сигналы не стали помехами для других пользователей, которые, возможно, задействуют этот же диапазон частот в других районах города.
Существуют также специальные методы кодирования, которые уменьшают взаимное влияние устройств, работающих в ISM-диапазонах.
(+)Технологии - 802.11х