Лекция "Беспроводные каналы связи"

тема 4 вопрос 9 беспроводные каналы связи   Выделяют три основных типа беспроводных сетей:  1)   радиосети   свободного   радиочастотного   диапазона   (сигнал   передаётся   сразу   по   нескольким частотам);  2) микроволновые (дальняя и спутниковая связь), 3) инфракрасные (лазерные, передаваемые когерентными пучками света). Последние являются высокопроизводительными   (высокоскоростными)   системами.   Их   широкое   применение   порой ограничивается из­за невысокой устойчивости к таким природным явлениям как дождь и туман. Предел дальности такой связи равен 5 км, устойчивой связи – 1–1,5 км.   По способу организации используются системы одночастотной, двухчастотной и многочастотной радиосвязи.   Обычно   одночастотная   связь   применяется   в   режиме   радиальной   радиосвязи,   то   есть предоставляет   возможность   всем   абонентам   сети   слышать   вызывающего   абонента   и   отвечать   ему (симплексный   режим).   Для   организации   прямой   связи   между   двумя   удалёнными   абонентами используется   также   одноканальная   двухчастотная   (полудуплексная)   радиосвязь   –  двухчастотный симплекс,   то   есть   на   одной   частоте   осуществляется   передача,   а   на   другой   –   приём   сообщений. Многоканальные   системы   полудуплексной   радиосвязи   формируются   на   основе   транковых   и радиорелейных систем. Транкинговая(англ.   «trunking»)или  транковая  (англ.   «trunked»)  связь  –   (ствол,   канал   связи) означает   соединительную   линию,   организуемую   между   двумя   станциями   или   узлами   сети   и предназначенную для организации передачи информации группы пользователей в одном радиостволе (до 50 и более абонентов) с радиусом действия от 20 до 35, 70 и 100 км. Это профессиональная мобильная радиосвязь   (ПМР)   с   автоматическим   распределением   ограниченного   количества   свободных   каналов среди большого числа подвижных абонентов, позволяющая эффективно использовать частотные каналы, существенно повышая пропускную способность системы. Радиорелейная   связь  образуется   путём   строительства   протяжённых   линий   с   приёмо­ передающими   станциями   и   антеннами.   Она   обеспечивает   узкополосную   высокочастотную   передачу данных на расстоянии между ближайшими антеннами в пределах прямой видимости (примерно 50 км). Скорость передачи данных в такой сети достигает 155 Мбит/с. Рассмотрим особенности видов связи. Телеграфная связь является одним из старейших видов связи. Она изобретена в России в 1832 году П.Л. Шиллингом. Она считается исключительно надёжной, но характеризуется низкой скоростью передачи и не предназначена для широкого, особенно частного, использования.  Телефонная   связь  –   самый   распространённый   вид   оперативно­управленческой   связи. Официально она появилась 14 февраля 1876 года, когда А. Белл (Александр Грейам, 1847–1922, США) зарегистрировал   изобретение   первого   телефонного   аппарата.   Спустя   два   часа   другой   изобретатель Иоайш Грей подал заявку на аналогичный аппарат. Первая телефонная станция появилась также в США (Нью­Хейвен) в 1878 году. Принцип телефонной связи заключается в следующем. Телефонный микрофон, в который говорит абонент, преобразует колебания звука в аналоговый электрический сигнал. Сигнал передаётся по линиям связи на телефонный аппарат абонента, принимающего голосовую информацию, с помощью индуктивных катушек и мембраны, расположенных в телефонной трубке. Этот сигнал преобразуется в колебания звука. Диапазон передаваемых частот по отечественным телефонным каналам – 300 Гц–3,4 кГц. Телефонная связь представляет разветвлённую структуру, объединяющую аппараты абонентов с ближайшими автоматическими телефонными станциями (АТС), которые соединяются между собой в единую  телефонную сеть. Любой аппарат абонента  соединяется  абонентской линией  с  ближайшей АТС, удаленной от него на расстояние до 10 км. На телефонной станции производится подключение телефонных   каналов   абонентских   и   соединительных   линий   (между   АТС)   на   время   телефонных переговоров и их разъединение по окончании переговоров. Широкое применение в организациях находят  офисные телефонные системы  (УАТС, ОАТС, ЭУАТС и др.). Сотовая радиотелефонная связь  (сотовая подвижная связь, СПС) появилась в конце 1970­х годов. Её также называют мобильной. Промышленно системы СПС начинают эксплуатироваться в США с 1983 года, а в России – с 1993 года. В 1998 году Япония первой в мире обеспечила доступ мобильных телефонов в Интернет.  Принцип организации СПС заключается в создании сети равноудалённых антенн с собственным радиооборудованием, каждая из которых обеспечивает вокруг себя зону устойчивой радиосвязи (англ. «cell» – сота). Каждая сота работает в диапазоне частот, отличном от соседних сот. В каждой соте действует   своя   базовая   станция   (BaseTransceiverStation,   BTS),   контроллер   (BaseStationController) которой следит за качеством приёма сигналов мобильных аппаратов. Когда качество сигнала аппарата пользователя   с  этой   станцией   становится   хуже,   чем   с   соседней   –  эта  базовая   станция   переключает аппарат пользователя на работу с лучшей соседней базовой станцией. При этом сотовый телефон автоматически связывается с тем передатчиком, в зону обслуживания которого он перешёл, и разговор абонента продолжается при его любом перемещении в зоне действия «сот». Расстояние   между   антеннами   зависит   от   мощности,   частоты   их   приёмо­передающего оборудования и топологии местности. Чем выше полоса частот работы системы, тем меньше радиус действия антенн, а значит, и расстояние между ними, то есть размер соты. Но в этом случае улучшается проникающая способность сигнала сквозь различные препятствия (окна, двери и стены), а также можно уменьшить размеры индивидуальных аппаратов и увеличить число абонентских радиоканалов.  Мобильные телефоны используют следующие стандарты: GSM  (GlobalSystemforMobileCommunications  –  глобальная   система   для   мобильной   связи), рассчитан на работу с частотами 900/1800 МГц. Обеспечивающий скорость обмена данными до 270 Кбит/с, GPRS – до 115,2 Кбит/с. GSM получил наибольшее распространение в нашей стране; CDMA  (CodeDivisionMultipleAccess) в России появился позже GSM и работает на частоте 450 МГц.   Специалисты   утверждают,   что   стандарт   CDMA­450   обеспечивает   более   качественную,   чем GSM/GPRS голосовую связь. Предполагается, что он составит конкуренцию стандарту GSM/GPRS и даже может его заменить; UMTS (UniversalMobileTelecommunicationsSystem) с полосой частот 1885–2025 и 2110–2200 МГц и скоростью от 144 Кбит/с. В отношение этого стандарта высказывается более категоричное мнение, что он должен заменить стандарты GSM и GPRS.  Одной   из   современных   услуг,   предоставляемых   операторами   сотовой   связи,   является   SMS (ShortMessageService)   –   служба   коротких   сообщений.   Эта   услуга,   позволяет   осуществлять   между сотовыми телефонами обмен короткими буквенно­цифровыми сообщениями. Способом обмена данными в беспроводных системах на радиочастоте около 2,4 ГГц и расстоянии до   100   м   является  Bluetooth.  Его   использование   позволяет   связывать   различные   электроприборы, например, для получения удалённого беспроводного доступа к Интернету и мобильному телефону, а также к компьютеру. Технология Bluetooth позволяет соединяться с Интернетом со скоростью до 1 Мбит/с. Спутниковая связь образуется между специальными наземными станциями спутниковой связи и спутником с антеннами и приёмо­передающим оборудованием. Она позволяет охватывать территории со слабо   развитой   инфраструктурой   связи,   расширить   сферу   и   набор   услуг,   в   т.ч.   мультимедийных, радионавигационных и др. Принцип работы систем спутниковой связи (ССС) заключается в том, что от абонента   сигнал   поступает   (в   т.ч.  по   радиоканалу),   как   правило,   на   ближайшую   наземную   станцию, которая переадресовывает его на станцию спутниковой связи. Оттуда этот сигнал с помощью мощной антенны отправляется на спутник. К абоненту сигнал поступает аналогично, в обратном порядке. расположенный   на   Спутники располагаются на одной из трёх орбит (Рис. 14­3). Спутник, геостационарной   орбите (GeostationaryEarthOrbit,  GEO),  находится  на высоте 36 тыс.  км и является  неподвижным  для  наблюдателя. Он  способен охватывать значительные области (территории) планеты.   Средние орбиты (MeanEarthOrbit, MEO) обитания спутников характеризуются высотой 5–15 тыс. км. На низких орбитах (LowEarthOrbit, LEO) высота размещения спутников не превышает 1,5 тыс. км. В этом случае они охватывают небольшие, локальные территории. Станции   спутниковой   связи  (ССС)   делятся   на: стационарные, переносные (перевозимые) и портативные.  Они обеспечивают: 1)   телевидение   и   радиовещание   для   коллективных   и индивидуальных пользователей; 2) национальные и цифровые телефонные сети связи; 3)   поддержку   системы   коммерческой   связи   SMS (SatelliteMultiservicesSystem)   для   высокоскоростной   передачи данных, проведения видеоконференций и межкомпьютерного обмена информацией;  4) предоставление связи наземным подвижным объектам и др.   Персональная   спутниковая   радиосвязь  или  спутниковая индивидуальная   связь  ориентирована   на   использовании   систем персональной   спутниковой   связи   (СПСС).   Портативные   станции спутниковой связи вместе с антенной умещаются в кейсе и имеют массу до 8,5 кг. Современные   средства   связи   всё   больше   ориентируются   на   обеспечение   передачи   различных видов данных. Для этого создаются сети передачи данных, использующие специальные каналы связи и методы передачи данных, предоставляющие пользователям различные виды передачи данных.  В беспроводных каналах передача информации осуществляется на основе распространения радиоволн. В  табл. 4.1 приведены сведения о диапазонах электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных  и оптических каналах связи. Таблица 4.1 – диапазоны электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных и оптических каналах связи. Диапазон  Длины волн, м Частоты, ГГц Применение Дециметровый Сантиметровый 0,1..0,01 Сотовые радиотелефоны, ТВ,  спутниковая связь, РК в ЛВС* Радиорелейные линии, РК в ЛВС,  спутниковая связь Миллиметровый 0,01..0,001 РК в ЛВС Инфракрасный 0,001..7,5*10­7 3*102..4*105 ВОЛС, WDМ** Видимый свет (7,5...4,0)*10­7 (4,0...7,5)*105 *) РК в ЛВС ­ радиоканалы в локальных сетях и системах связи; **) WDM ­ мультиплексирование с разделением каналов по длинам волн. Для организации канала ПД в диапазонах дециметровых волн (902...928 МГц и 2,4...2,5 ГГц) требуется  регистрация в Госсвязьнадзоре. Работа в диапазоне 5,725...5,85 ГГц пока лицензирования не требует.  Чем выше рабочая частота, тем больше емкость (число каналов) системы связи, но тем меньше  предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без  ретрансляторов. Первая из причин и порождает тенденцию к освоению новых более высокочастотных  диапазонов.  Радиоканалы входят необходимой составной частью в спутниковые и радиорелейные системы связи,  применяемые в территориальных сетях, в сотовые системы мобильной связи, они используются в  качестве альтернативы кабельным системам в локальных сетях и при объединении сетей отдельных  офисов и предприятий в корпоративные сети. Во многих случаях применение радиоканалов оказывается  более дешевым решением по сравнению с другими вариантами.  В территориальных сетях на региональном уровне часто используются радиорелейные линии связи  (коммутация каналов, диапазон частот 15...23 ГГц, связь в пределах прямой видимости, что ограничивает дальность между соседними станциями ­ до 50 км при условии размещения антенн на строениях типа  башен). Последовательность станций, являющихся ретрансляторами, позволяет передавать информацию  на значительные расстояния.  Радиосвязь используется в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других  каналов связи. Радиоканал либо выполняет роль моста между подсетями (двухточечное соединение),  либо является общей средой передачи данных в ЛВС по излагаемому далее методу МДКН/ОК (см. гл. 4), либо служит соединением между центральным и терминальными узлами в сети с централизованным  управлением.  В первом случае (связь двух сетей) имеем двухточечное соединение с направленными антеннами,  дальность в пределах прямой видимости (обычно до 15­20 км с расположением антенн на крышах  зданий). Мост имеет два адаптера: один для формирования сигналов для радиоканала, другой ­ для  кабельной подсети.  В случае использования радиоканала в качестве общей среды передачи данных в ЛВС сеть называют  RadioЕthernet (стандарт IEEE 802.11), она обычно используется внутри зданий. В состав аппаратуры  входят приемопередатчики и антенны. Связь осуществляется на частотах от одного до нескольких  гигагерц. Расстояния между узлами ­ несколько десятков метров.  В соответствии со стандартом IEEE 802.11 возможны два способа передачи двоичной информации в  ЛВС, оба они имеют целью обеспечить защиту информации от нежелательного доступа.  Первый способ называется методом прямой последовательности (DSSS ­ Direct Sequence Spread  Spectrum). В нем вводится избыточность ­ каждый бит данных представляется последовательностью из  11 элементов ("чипов"). Эта последовательность создается по алгоритму, известному участникам связи,  и потому может быть дешифрирована при приеме. Избыточность повышает помехоустойчивость, что  позволяет снизить требования к мощности передатчика, а для сохранения высокой скорости нужно  расширять полосу пропускания. Так, в аппаратуре фирмы Aironet в диапазоне 2,4 ГГц имеются 4 канала  шириной в 22 МГц.  Второй способ ­ метод частотных скачков (FHSS ­ Frequency Hopping Spread Spectrum). В этом методе  полоса пропускания делится на 79 поддиапазонов. Передатчик через каждые 20 мс переключается на  новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может  изменяться, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным.  В варианте использования радиоканалов для связи центрального и периферийного узлов центральный  пункт имеет ненаправленную антенну, а терминальные пункты при этом используют направленные  антенны. Дальность связи составляет также десятки метров, а вне помещений ­ сотни метров. Пример  многоточечной системы: ненаправленная антенна по горизонтали, угол 30 градусов по вертикали, 5,8 ГГц ­ к терминалам, 2,4 ГГц ­ к центральному узлу, до 62 терминалов, дальность ­ 80 м без прямой  видимости. В системе RoomAbout связь на частоте 920 МГц гарантируется на расстоянии в 120 метров,  предусмотрена защита от перехвата информации.  В условиях высоких уровней электромагнитных помех иногда используют инфракрасные каналы связи.  В последнее время их стали применять не только в цехах, но и в офисах, где лучи можно направлять над  перегородками помещения.  Поставкой оборудования для организации корпоративных и локальных беспроводных сетей занимается  ряд фирм, в том числе известные фирмы Lucent Technologies, Aironet, Multipoint Network.  В оборудование беспроводных каналов ПД входят:  Сетевые адаптеры и радиомодемы, поставляемые вместе с комнатными антеннами и драйверами.  Различаются способами обработки сигналов, характеризуются частотой передачи, пропускной  способностью, дальностью связи.  Сетевой адаптер вставляется в свободный разъем шины компьютера. Например, адаптер WaveLAN  (Lucent Technologies) подключается к шине ISA, работает на частоте 915 МГц, пропускная способность 2 Мбит/с.  Радиомодем подключается к цифровому ООД через стандартный интерфейс. Например, радиомодемы  серии RAN (Multipoint Networks) могут работать в дуплексном или полудуплексном режимах; со сторны  порта данных ­интерфейс RS­232C, RS­449 или V.35, скорости до 128 кбит/с; со стороны радиопорта ­  частоты 400...512 или 820...960 МГц, ширина радиоканала 25...200 кГц.  Радиомосты используются для объединения между собой кабельных сегментов и отдельных ЛВС в  пределах прямой видимости и для организации магистральных каналов в опорных сетях, выполняют  ретрансляцию и фильтрацию пакетов. Например, мост ARLAN 640 (Aironet) взаимодействует с сетями  Ethernet, обеспечивает 2 Мбит/с. Направленные и ненаправленные антенны, антенные усилители, и вспомогательное оборудование типа  кабелей, полосовых фильтров, грозозащитников и т.п.