2.3.1. Беспроводная среда передачи информации

Виды беспроводных телекоммуникаций и их преимущества. Беспроводные телекоммуникации обеспечивают: мобильная связь, фиксированная беспроводная связь, мобильные компьютерные сети.

Возможность мобильного приема и передачи информации без жесткой привязки абонентов проводами к определенной точке пространства давно привлекала разработчиков. Первый, по сути, мобильный телефон изобрел в 1910 году Ларс Магнус Эриксон. Он всего лишь использовал возможности быстрого механического подключения автомобилистов к проводной телефонной линии в разных ее точках (длинными штангами с контактами). Но только в конце 70-х годов 20 века развитие технологий радиодоступа обеспечило возможности производства сравнительно компактных и недорогих радиотелефонов. С этого времени начался бум мобильной телефонии, продолжающийся и сегодня.

Кроме мобильной существует и так называемая фиксированная беспроводная связь, когда взаимодействующие узлы постоянно располагаются в пределах небольшой территории (например, здания или сооружения), а прокладывать или использовать кабельные линии невозможно или невыгодно. Примерами являются: труднодоступные и малонаселенные местности, крайний Север и Антарктида; здания, имеющие историческую ценность и не допускающие прокладку кабеля; обслуживание в каком-то месте кратковременных разовых мероприятий; получение доступа к услугам абонентов, дома которых уже подключены к точкам присутствия существующих уполномоченных операторов связи.

Беспроводная связь уже достаточно давно используется для передачи данных, причем до недавнего времени большая часть ее применений в компьютерных сетях была связана именно с фиксированным вариантом (отдельный канал является спутниковым или наземным СВЧ-каналом).

Начиная с середины 90-х годов, достигла необходимого уровня и технология мобильных компьютерных сетей. Появление в 1997 году стандарта IEEE 802.11 обеспечило возможность построения мобильных сетей Ethernet, поддерживающих взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся и оборудованием какого производителя пользуются. Пока такие сети играют еще достаточно скромную роль по сравнению с мобильными телефонными сетями, но аналитики предсказывают их быстрый рост в ближайшие годы.

Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, что не всегда верно, поскольку беспроводная связь использует широкий диапазон частот электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько КГц до видимого света частотой ~ 8×10¹⁴ Гц.

Беспроводная линия связи. Она строится в соответствии с достаточно простой схемой, где каждый узел оснащается приемно-передающей антенной. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере со скоростью 3×10⁸ м/с во всех направлениях или в пределах определенного сектора.

По способу распространения волн различают антенны:

• параболические – направленные;

• изотропные – ненаправленные, представляют собой вертикальный проводник длиной в ¼ длины волны излучения. Они широко используются в автомобилях и портативных устройствах.

Распространение излучения во всех направлениях можно обеспечить и несколькими направленными антеннами.

Поскольку при ненаправленном распространении электромагнитные волны заполняют все пространство определенного радиуса, определяемого затуханием мощности сигнала, то это пространство может служить общей разделяемой средой передачи. Разделение среды порождает те же проблемы, что и в ЛС, но здесь они усугубляются тем, что пространство в отличие от кабеля является общедоступным, а не принадлежит какой-то одной организации. Кроме того, беспроводная среда является ненаправленной.

Для передачи дискретной информации с помощью беспроводной линии связи необходимо модулировать электромагнитные колебания передатчика в соответствии с потоком передаваемых битов. Эту функцию выполняет аппаратура передачи данных (Data Circuit Equipment, DCE) – DCE-устройство, располагаемое между антенной и оконечным оборудованием данных (Data Terminal Equipment, DTE) – DTE-устройством, которым может быть компьютер, коммутатор или маршрутизатор компьютерной сети.

Классификация беспроводных систем. Беспроводные системы делятся на 4 группы в зависимости от используемого диапазона электромагнитного спектра по возрастанию частоты:

• широковещательные (радио-) системы. В диапазоне от 20 КГц до 300 МГц работают радиостанции, сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FM-диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен Кбит/с. Примеры: радиомодемы, соединяющие два сегмента ЛС на скоростях 2400, 9600 или 19200 Кбит/с;

• микроволновые системы, представляющие наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные ЛС и системы фиксированного беспроводного доступа или беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL);

• системы инфракрасных волн. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, такие системы используются для образования небольших сегментов ЛС в пределах одного помещения;

• системы видимого света, обеспечивающие передачу информации с помощью лазеров. Они представляют высокоскоростную альтернативу микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.

Особенности распространения электромагнитных волн. Потребность в высокоскоростной передаче информации является главной, поэтому все современные системы беспроводной передачи работают в высокочастотных диапазонах, начиная с 800 МГц, несмотря на преимущества низкочастотных диапазонов (2 МГц) передачи вдоль поверхности земли (AM-радио) на сотни километров или (2-30 МГц) с отражением от ионосферы на тысячи километров.

Для успешного использования микроволнового диапазона необходимо также учитывать дополнительные проблемы, связанные с поведением сигналов, распространяющихся в режиме прямой видимости и встречающих на своем пути препятствия. При встрече сигнала с препятствием может возникнуть его

• отражение, когда препятствие частично прозрачно для данной длины волны, а его размеры намного превышают длину волны. Часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны микроволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому в городе они частично отражаются от стен домов;

• дифракция, когда препятствие (например, металлическая пластина) непроницаемо, а его размеры также намного больше длины волны. При этом сигнал огибает препятствие так, что его можно принять, даже не находясь в зоне прямой видимости;

• рассеивание, когда размеры препятствия соизмеримы с длиной волны. При этом сигнал распространяется дальше под различными углами.

В результате подобных явлений, повсеместно встречающихся в городе, приемник может получить несколько копий одного и того же сигнала, то есть имеет место многолучевое распространение сигнала. Его эффект может быть отрицательным, если одна из копий придет с обратной фазой и подавит основной сигнал.

Поскольку копии сигнала по разным путям идут разное время, может наблюдаться и межсимвольная интерференция – ситуация, когда из-за задержки сигналы соседних битов доходят до приемника одновременно.

Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала, что называется многолучевым замиранием.

Все рассмотренные искажения сигнала складываются с внешними электромагнитными помехами, которых в городе довольно много. В частности, в диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые печи.

Влияние помех. Отказ от проводов и обретение мобильности приводят к высокому уровню помех в беспроводных линиях. Если интенсивность битовых ошибок в проводных линиях связи составляет 10^-9 – 10^-10, то в беспроводных она достигает 10^-3. Для решения проблемы высокого уровня помех беспроводных каналов применяются различные способы:

• использование специальных методов кодирования, распределяющих энергию сигнала в широком диапазоне частот;

• размещение передатчиков сигнала (и по возможности приемников) на высоких башнях во избежание многократных отражений;

• применение протоколов с установлением соединений и повторными передачами кадров уже на канальном уровне стека протоколов. Это позволяет быстрее корректировать ошибки, поскольку они работают с меньшими значениями тайм-аутов, чем корректирующие протоколы транспортного уровня (например, TCP).