Беспроводная передача данных в настоящее время перживает своеобразный бум. Если с речевым обменом все в достаточной степени понятно, он нужен всем, везде и всегда, то в области беспроводной передачи данных ситуация не столь однозначна. Крупнейшие разработчики технологий и производители элементной базы лихорадочно пытаются опредилить тенденции развития рынка, то есть интересы потребителя. Возникают и тихо угасают технологии и связанное с ними производство компонентов. вопросов много больше, чем ответов.

Сети передачи данных могут быть классифицированы следующим образом:

1. Автономные локальные сети (потоки данных территориально замкнуты в пределах предприятия, офиса, дома, квартиры).
2. Локальные сети с выходом в транспортную (первичную) сеть (часть потребителей имеет выход за пределы локальной сети, например, в Интернет).
3. Сети непосредственного доступа потребителей в транспортную сеть.

Подобная упрощенная классификация в данном случае вполне достаточна (см.рис.1).

Современные телекоммуникационные сети строятся и оптимизируются согласно двухуровневой иерархии: магистральные транспортные сети и сети доступа, что гораздо э ономичнее и удобнее для построения открытых систем и доставки интегрированных услуг. При строительстве сети до 90% всей стоимости приходится на ее нижнее звено, то есть на местную сеть, или сеть доступа. Для решения проблемы «последней мили » сегодня предложен целый ряд технологий. «Последняя миля » - это часть телекоммуникационной сети связи общего пользования, расположенная между точкой распределения ресурса первичной сети и абонентским оборудованием. Кроме традиционных проводных технологий для распределения информации используются беспроводные системы абонентского доступа и ряд других технологий. Диапазон телекоммуникационных услуг, предоставляемых сейчас конечным пользователям, достаточно широк: передача данных, доступ в Интернет, телефония, интерактивное видео, связь с подвижными объектами. Каждую из услуг можно подразделить далее в соответствии с предлагаемым уровнем производительности и качества.

Типовая структура системы абонентского доступа, как правило, включает в себя сеть доступа (access network) и сеть распределения (distribution network).

• абонентский терминал (АТ) - приемно-передающее радиоустройство небольших размеров с внутренней или внешней антенной. Оконечное пользовательское оборудование подключается непосредственно к абонентскому терминалу и через радиоканал имеет доступ к сети связи;
• точка доступа (ТД) - устройство, обеспечивающее связь абонентов сети доступа с телекоммуникационной (первичной) сетью доступа;
• точка распределения (ТР) - элемент первичной сети, обеспечивающий организацию сети распределения с точками доступа.

Термин «сеть распределения » подразумевает часть сети между точкой доступа и точкой распределения. Сеть распределения может отсутствовать, если сеть доступа начинается непосредственно от точки распределения ресурса транспортной сети. В точке доступа должна обеспечиваться реализация протоколов сети доступа при взаимодействии с абонентскими терминалами, протоколов сети общего пользования при работе с узлом коммутации, а также взаимное конвертирование этих протоколов и управление потоком данных в системе абонентского доступа. На практике эти функции выполняют маршрутизаторы (в сетях передачи данных), концентраторы и базовые станции (в сотовых сетях и системах беспроводного абонентского доступа) и некоторые другие устройства. Как для сети доступа, так и для сети распределения могут быть использованы различные технологии; можно развертывать и гибридные сети. Допустимы разнообразные конфигурации сетей, которые зависят от требуемой пропускной способности, стоимости планируемой сети, топологии, ограничений, вводимых различными регулирующими организациями и т.д.

Классификация систем беспроводного абонентского доступа (WLL (Wireless Local Loop) или RLL (Radio Local Loop)) также может быть проведена по целому ряду параметров - структуре,используемому диапазону частот, содержанию трафика и т.п.

Общепринятой классификации систем WLL на сегодняшний день не существует, однако возможна некоторая систематизация по основным характеристикам (см.табл.1).

Таблица 1.Систематизация характеристик WLL

Основное назначение систем «точка - точка » в инфраструктуре «последней мили » - это подключение небольших сосредоточенных систем связи (локальной сети, учрежденческой АТС и т.д.) к корпоративным сетям, сетям связи общего пользования или телекоммуникационным узлам. Сотовые системы и системы «точка - многоточка » применяются в тех случаях, когда нужно подсоединить к узлу системы связи разрозненные группы абонентов. Существует широкое многообразие WLL-систем этих двух типов, что вынуждает классифицировать системы с сотовой структурой и структурой «точка - многоточка » по характеру их трафика. Можно выделить три основных класса таких систем:

• системы абонентского доступа к сетям передачи данных;
• системы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования;
• системы интегрального типа.

В свою очередь, системы абонентского доступа к сетям передачи данных можно разделить на следующие подклассы:

а) системы, ориентированные на обслуживание абонентов с небольшой индивидуальной интенсивностью коротких транзакций (системы мониторинга различного назначения, платежные системы безналичного расчета и др.);
б) системы, ориентированные на обеспечение доступа к сетевым информационным ресурсам (Интернет, услуги ISDN, удаленный доступ к локальным компьютерным сетям и др.).

Радиосистемы для подключения абонентов к телефонной сети общего пользования (ТФ-ОП) иногда еще называют «телефонными радиоудлинителями ». Часто беспроводные «телефонные удлинители » предоставляют также услуги передачи данных и факсимильных сообщений.

Системы интегрального типа совмещают в себе системы первых двух типов и являются более универсальными. Кроме обеспечения телефонной связи, системы интегрального типа могут обслуживать абонентов, передающих данные и видеоинформацию. Причем абоненты, передающие данные, могут работать в широком диапазоне скоростей передачи - от 1200 бит//с до десятков и даже сотен килобит в секунду. Неотъемлемой задачей таких систем является также обеспечение доступа абонентов к услугам цифровых сетей связи с интеграцией служб (ISDN).

Если находиться в рамках катехизиса, то будем последовательно рассматривать возникающие в реальной жизни вопросы, относящиеся к беспроводной передаче данных, а затем давать на них ответы. Достаточно полное рассмотрение данной проблемы потребовало бы специальных исследований, поэтому ограничимся анализом (по-видимому, неполным) материалов зарубежной (в основном американской и европейской) скорее технической, чем научной периодики, а также отечественных журналов соответствующей ориентации, которые очень верно подмечают как новинки, так и тенденции. Не будет забыт и иноязычный Интернет с известными адресами, хотя он имеет ряд специфических особенностей.

Не вдаваясь в подробности, можно отметить, что передача данных, как один из видов связи, обладает самыми высокими требованиями к достоверности передаваемой информации. Передача файлов, например, обычно не терпит ошибок вообще.

Ответ на первый вопрос «кому нужна беспроводная передача данных?» прост - всем в той или иной степени. Одним из достоинств Голливуда (кроме спецэффектов) является тот неоспоримый факт, что он формирует общественное мнение и, с точки зрения информационных технологий, в правильном направлении. «Умный дом » (smart house) требует непрерывного наблюдения за всеми системами жизнеобеспечения, автомобиль требует того же, и так далее. Это не будущее, а реальность.

Обычно коллизия между потребителем и производителем выглядела примерно так: мне нужно это, а с другой стороны звучало - а я могу это. Сейчас картина выглядит с точностью до наоборот (если не считать вечных природных и временных технологических ограничений). Движение со стороны потребителя очевидно - больше и недорого. Но что нужно? Здесь два варианта - работа и быт. Причем оба варианта не чужды друг другу. Итак, следующий вопрос - что нужно для работы? Ответ - нужно все. Где система, там и люди. Посмотрим, что могут предложить нам существующие технологии и компоненты. Для ориентации используем рис.2, на котором изображено примерное позиционирование ряда технологий беспроводной передачи данных в координатах «дальность связи - скорость передачи ».

В верхней части рисунка показаны характерные приложения данных технологий. Здесь последовательно с ростом требуемой скорости передачи размещены:передача речи, неподвижных графических изображений, низкоскоростной доступ в Интернет, беспроводная передача музыкальных произведений, потоковая передача видео, передача цифрового видео, передача многоканального видео. Дальность связи изменяется от единиц метров до единиц километров, скорость передачи данных изменяется от десятков килобит в секунду до десятков мегабит в секунду.

Варианты технологии Bluetooth 1 и Bluetooth 2 отличаются классом мощности (см.более подробно соответствующий пункт). Аббревиатура HL2 означает технологию HiperLAN2, разрабатываемую ETSI (The European Telecommunications Stahdarts Institute - европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций). Потребительские свойства технологий HL2 и IEEE802.11a близки. На рисунке не показана технология HomeRF, которая в своем первом варианте со скоростью передачи 1,6 Мбит/с близка к Bluetooth, а в варианте HomeRF 2.0 со скоростью передачи 10 Мбит/с конкурирует с IEEE802.11b.Справа от рисунка приведены соответствующие сокращения сетевых технологий, в которых могут использоваться рассматриваемые технологии. Это: PAN (относительно новое понятие - Personal Area Network), LAN (локальные вычислительные сети), и WAN (распределенные). LMDS (Local Multipoint Distribution Service) означает сеть распределения данных (сейчас применяется в сотовых системах телевидения). В данной позиции может быть размещена и MMDS (Multipoint Multichannel Distribution Service)- многоканальная система распределения данных.

Из рисунка явно следует распределение технологий по различным потребительским нишам и наличие конкурирующих технологий, которые обычно имеют американское и европейское происхождение. Технологии, размещенные рядом друг с другом, также могут быть частично взаимозаменяемыми, то есть они скорее дополняют друг друга, чем конкурируют.

Используемые частотные диапазоны и их регулирование

На рис.2 отсутствует информация об используемых частотных ресурсах. Вообще говоря, для передачи данных могут использоваться как диапазоны частот, требующие государственного разрешения (а вместе с ним и оплаты лицензирования), так и нелицензируемые интервалы частот, относительно свободные для их использования. Обычно это относится к ограничению допустимой плотности электромагнитного поля в дальней зоне, которая определяется мощностью передатчика и параметрами направленности антенн. Сейчас характерным является широкое использование нелицензируемых диапазонов частот. Потенциально это неизбежно приведет (и приводит) к возникновению проблем как внутрисистемной, так и межсистемной ЭМС (электромагнитной совместимости).

К данному типу частотных ресурсов относится ISM (Industrial, Scientific, and Medical Equipment) - диапазон частот, который предназначен для использования в нелицензируемом оборудовании (промышленном, научном, медицинском, домашнем или аналогичном), за исключением приложений в области связи. Оборудование должно генерировать и использовать радиочастотную энергию локально. В США данный диапазон включает в себя ряд интервалов: 915,0 ± 13 МГц; 2450 ±50 МГц; 5,8 ± 0,075 ГГц; 24,125 ± 0,125 ГГц. Европейский вариант имеет некоторые отличия.

Сейчас интервал частот 2450 МГц широко используется для организации систем передачи данных на короткие расстояния (например, беспроводных локальных сетей WLAN). В России разрешено применение на вторичной основе интервала 2400 –2483,5 МГц (вторичность означает невозможность применения при возникновении помех системам, использующим данный диапазон на первичной основе). В настоящее время в соответствии с решением ГКРЧ от 29.04.2002 (протокол №18/3) «О порядке использования на территории Российской Федерации внутриофисных систем передачи данных в полосе частот 2400 –2483,5 МГц » разрешается использование юридическими и физическими лицами полосы частот для организации на территории Российской Федерации внутриофисных систем беспроводной передачи данных на вторичной основе и при условии непредъявления претензий на возможные помехи от РЭС военного и гражданского назначения, а также от высокочастотных установок промышленного, научного, медицинского и бытового применения, использующих указанную полосу частот. При этом следует учитывать, что для этих систем не требуется согласований с радиочастотными органами Министерства обороны Российской Федерации и другими (при необходимости) министерствами и ведомствами России. Для получения разрешения на использование радиочастот для эксплуатации внутриофисных систем передачи данных заявитель направляет в адрес ФГУП «Главный радиочастотный центр » радиочастотную заявку по форме, указанной в приложении 1 решения ГКРЧ от 29.04.2002 (протокол № 18//3). При отсутствии замечаний по заявке ФГУП «Главный радиочастотный центр » готовит проекты разрешительных документов. После оплаты работ по экспертизе заявки заявителю выдается разрешение на использование полосы частот 2400 –2483,5 МГц для эксплуатации РЭС внутриофисных систем. На основании этого документа заявитель получает в соответствующем ФГУП Радиочастотного центра федерального округа разрешение на эксплуатацию РЭС.

Интервал 5,8 ГГц совпадает с частотами, выделенными для систем U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure - нелицензируемая Национальная информационная инфраструктура), обеспечивающими быстрое развертывание систем при намного меньших затратах, чем в случае диапазонов, требующих лицензирования. В январе 1997 года Федеральная комиссия по связи (FCC) США выделила для услуг U-NII три диапазона частот суммарной шириной 300 МГц в диапазоне 5 ГГц: диапазон U-NII 1 (5,15 –5,25 ГГц) и диапазон U-NII 2 (5,25 –5,35 ГГц), предназначенные для локальных сетей и других приложений связи на коротких расстояниях, и диапазон U-NII 3 (5,725 –5,825 ГГц) для сетей, требующих большей дальности связи. В России частоты диапазона 5,725 –5,875 ГГц могут использоваться при том условии, что уровень радиопомех от источников излучений не будет превышать допускаемый уровень индустриальных радиопомех.

Более того, FCC заявила о необходимости изменить саму методологию распределения частотных диапазонов. Главная идея - распределять спектр динамически, так как отдельные частотные интервалы используются очень интенсивно,а другие практически свободны. Предполагается также учесть в лицензировании не только сами частоты, но и время их занятия, мощность излучения. Рекомендуется также проработать вопрос более эффективного анализа помех, установить максимальный уровень мощности передачи в зависимости от диапазонов частот и уровня шумов. И наконец,предлагается ввести три вида лицензирования частотных ресурсов: эксклюзивное пользование, общее пользование и контролируемое пользование. На наш взгляд, такой подход вполне адекватен современности.

Краткая характеристика технологий

Приведем краткую характеристику технологий беспроводной передачи данных, а затем осуществим их сравнительный анализ. Традиционно в данной области телекоммуникаций (и не только здесь) конкурируют американские стандарты IEEE, европейские стандарты ETSI и фирменные стандарты.

Технология ZigBee продвигается организацией ZigBee Alliance, ставящей своей целью обеспечение верхних слоев семиуровневой модели стеком протоколов (от сетевого уровня до уровня приложений), включая профили приложений и инженерную реализацию компонентов данной технологии. К разработке соответствующего стандарта низкоскоростной передачи данных подключился комитет IEEE 802.15.4, разрабатывающий уровни MAC (управление доступом к среде передачи - media access control) и PHY (уровень передачи сигналов в физической среде) семиуровневой модели. Именно первый,физический уровень (PHY) в основном определяет стоимость системы, скорости передачи данных, потребляемую мощность, габариты и диапазон используемых частот.

Назначение данной технологии - обеспечить компонентами системы автоматизации и дистанционного управления различного назначения. При этом для АТ была поставлена цель обеспечения их автономным батарейным питанием двумя элементами типа АА в течение времени от полугода до двух лет. Варианты применения устройств, построенных на основе данной технологии: беспроводные системы обеспечения безопасности жилища от несанкционированного проникновения в них; удаленное управление кондиционерами, системой освещения помещений и оконными жалюзи; управление какими-либо устройствами инвалидами, пожилыми людьми и детьми; универсальное управление аудио и видеоустройствами; беспроводные клавиатура, мышь ПК, пульт управления игровой приставкой; беспроводные детекторы задымления и наличия СО; автоматизация и управление элементами промышленных и жилых помещений (освещением и т.п.).

Предусматривается разработка шлюзов для взаимодействия данных систем с другими сетями передачи данных.

Используемые частоты: ISM (2,4 ГГц со скоростью 250 кбит/с), европейский диапазон 868 МГц (20 кбит/с) и американский диапазон 915 МГц (40 кбит/с).

Технология Bluetooth - это технология передачи данных по радио на малые расстояния (до 10 м, с возможностью расширения до 100 м), позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии, не требуя прямой видимости. По мощности радиопередатчика аппаратура делится на три класса: первый (максимальная выходная мощность 100 мВт), второй (2,5 мВт) и третий (1 мВт).

Разработку технологии начала компания Ericsson Mobile Communications. Первоначальной ее целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и гарнитурами. Кроме того, новый интерфейс предназначался для передачи данных между ПК, между ПК и его периферией, между ноутбуком и сотовым телефоном и т.п.

В феврале 1998 года. Ericsson совместно с Intel, IBM, Toshiba и Nokia сформировали специальную группу по разработке и продвижению технологии под названием Bluetooth SIG (Special Interest Group). Эта технология полностью открыта, а поэтому любая компания, подписавшая лицензионное соглашение, может войти в состав Bluetooth SIG и начать создавать продукты на ее основе.

Семейство стандартов IEEE 802.11х разрабатывается американским институтом IEEE. Стандарт IEEE 802.11, разработка которого была завершена в 1997 г., является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них - протокол управления доступом к среде MAC (нижний подуровень канального уровня) и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения. Стандартом 802.11 определен единственный подуровень MAC, взаимодействующий с тремя типами протоколов физического уровня, соответствующих различным технологиям передачи сигналов - по радиоканалам в диапазоне 2,4 ГГц с широкополосной модуляцией с прямым расширением спектра (DSSS) и ППРЧ (FHSS), а также с помощью инфракрасного излучения. Спецификациями стандарта предусмотрены два значения скорости передачи данных - 1 и 2 Мбит//с. По сравнению с проводными ЛВС Ethernet-возможности подуровня MAC расширены за счет включения в него ряда функций, обычно выполняемых протоколами более высокого уровня, в частности, процедур фрагментации и ретрансляции пакетов. Это вызвано стремлением повысить эффективную пропускную способность системы благодаря снижению накладных расходов на повторную передачу пакетов.

В качестве основного метода доступа к среде стандартом 802.11 определен механизм CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с обнаружением несущей и предотвращением столкновения пакетов).

Управление питанием. Для экономии энергоресурсов мобильных рабочих станций, используемых в беспроводных ЛВС, стандартом 802.11 предусмотрен механизм переключения станций в так называемый пассивный режим с минимальным потреблением мощности.

Архитектура и компоненты сети . В основу стандарта 802.11 положена сотовая архитектура,причем сеть может состоять как из одной, так и нескольких ячеек. Каждая сота управляется базовой станцией, являющейся ТД, которая вместе с находящимися в пределах радиуса ее действия рабочими станциями пользователей образует базовую зону обслуживания. Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему, представляющую собой эквивалент магистрального сегмента кабельных ЛВС. Вся инфраструктура, включающая точки доступа и распределительную систему, образует расширенную зону обслуживания. Стандартом предусмотрен также односотовый вариант беспроводной сети, который может быть реализован и без точки доступа, при этом часть ее функций выполняются непосредственно рабочими станциями.

Роуминг. Для обеспечения перехода мобильных рабочих станций из зоны действия одной точки доступа к другой в многосотовых системах предусмотрены специальные процедуры сканирования (активного и пассивного прослушивания эфира) и присоединения (Association), однако строгих спецификаций по реализации роуминга стандарт 802.11 не предусматривает.

Обеспечение безопасности. Для защиты WLAN стандартом IEEE 802.11 предусмотрен целый комплекс мер безопасности передачи данных под общим названием Wired Equivalent Privacy (WEP). Он включает средства противодействия несанкционированному доступу к сети (механизмы и процедуры аутентификации), а также предотвращение перехвата информации (шифрование).

Сейчас наибольшее распространение получил стандарт IEEE 802.11b. Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛВС Ethernet, а также ориентации на диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей. В окончательной редакции стандарт 802.11b, известный так же, как Wi-Fi (Wireless Fidelity), был принят в 1999 году. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с, имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, стандартом 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. Как и в случае базового стандарта 802.11, четкие механизмы роуминга спецификациями 802.11b не определены. Дальнейшим развитием семейства IEEE 802.11x явился стандарт IEEE 802.11a, который предусматривает скорость передачи данных до 54 Мбит/с (редакцией стандарта, утвержденной в 1999 году, определены три обязательных скорости - 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с). В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4 ГГц, спецификациями 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Наиболее существенное различие между этим методо и радиотехнологиями DSSS и FHSS заключается в том, что OFDM предполагает параллельную передачу полезного сигнала одновременно по нескольким частотам диапазона, в то время как технологии расширения спектра передают сигналы последовательно. В результате повышается пропускная способность канала и качество сигнала. К недостаткам 802.11а относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а также меньший радиус действия (оборудование для 2,4 ГГц может работать на расстоянии до 300 м, а для 5 ГГц - около 100 м).

Для полноты рассмотрения возможностей семейства IEEE802.11x представим краткую характеристику ряда других стандартов и их спецификаций. Стремясь расширить географию распространения сетей стандарта 802.11, IEEE разрабатывает универсальные требования к физическому уровню 802.11 (процедуры формирования каналов, псевдослучайные последовательности частот и т.д.). Соответствующий стандарт 802.11d пока находится в стадии разработки. Спецификации другого разрабатываемого стандарта 802.11е позволяют создавать мультисервисные беспроводные ЛС, ориентированные на различные категории пользователей, как корпоративных, так и индивидуальных. При сохранении полной совместимости с уже принятыми стандартами 802.11а и 802.11b он позволит расширить их функциональность за счет поддержки потоковых мультимедиа-данных и гарантированного качества услуг (QoS). Спецификации 802.11f описывают протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP), что необходимо для построения распределенных беспроводных сетей передачи данных. Рабочая группа IEEE 802.11h рассматривает возможность дополнения существующих спецификаций 802.11 MAC и 802.11a PHY алгоритмами эффективного выбора частот для офисных и уличных беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля излучаемой мощности и генерации соответствующих отчетов. Предполагается, что решение этих задач будет базироваться на использовании протоколов Dynamic Frequency Selection (DFS) и Transmit Power Control (TPC), предложенных ETSI. Указанные протоколы предусматривают динамическое реагирование клиентов беспроводной сети на интерференцию радиосигналов путем перехода на другой канал, снижения мощности либо обоими способами.

Спецификации стандарта IEEE 802.11i позволят расширить возможности протокола 802.11 MAC, предусмотрев средства шифрования передаваемых данных, а также централизованной аутентификации пользователей и рабочих станций. В результате масштабы беспроводных локальных сетей можно будет наращивать до сотен и тысяч рабочих станций. В основе стандарта лежит протокол аутентификации Extensible Authentication Protocol (EAP), базирующийся на PPP. Сама процедура аутентификации предполагает участие в ней трех сторон - вызывающей (клиента), вызываемой (точки доступа) и сервера аутентификации (как правило, сервера RADIUS). В то же время новый стандарт, судя по всему, оставит на усмотрение производителей реализацию алгоритмов управления ключами. Разрабатываемые средства защиты данных должны найти применение не только в беспроводных, но и в других локальных сетях - Ethernet и Token Ring. Поэтому будущий стандарт получил номер IEEE 802.1X, а его разработку группа 802.11i ведет совместно с комитетом IEEE 802.1.

Спецификации стандарта 802.11g, находящиеся сейчас в стадии рассмотрения, представляют собой развитие стандарта 802.11b и позволяют повысить скорость передачи данных в беспроводных ЛВС до 22 Мбит/с (а возможно, и выше) благодаря использованию более эффективной модуляции сигнала. Из нескольких предложений по базовой радиотехнологии для данного стандарта рабочая группа IEEE недавно выбрала решение компании Intersil, основанное на методе OFMD. Одним из достоинств будущего стандарта является обратная совместимость с 802.11b.

Спецификации стандарта 802.11j будет оговаривать существование в одном диапазоне сетей стандартов 802.11a и HiperLAN2.

Нельзя не упомянуть деятельность IEEE в области технологий LMDS и MMDS (правый верхний угол рис.2). Местные и многоканальные многоточечные распределительные системы LMDS и MMDS (которые называют так-же «сотовым телевидением » и «беспроводным КТВ »), первоначально предназначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспроводной передачи данных на «последней миле ». Радиус действия передатчиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1 –2,7 ГГц, может достигать 40 –50 км, в то время как максимальная дальность передачи сигнала в системах LMDS, использующих значительно более высокие частоты в области 27 –31 ГГц, составляет 2,5 –3 км. Массовому распространению этих систем до сих пор мешало отсутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовместимость продуктов разных производителей. В начале 2000 года для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи в IEEE был создан рабочий комитет 802.16. Первоначально он сосредоточился на вопросах стандартизации систем LMDS диапазона 28 –30 ГГц, однако вскоре полномочия комитета были распространены на область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе образовано несколько рабочих групп. Группа 802.16.1 разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для систем, использующих диапазон 10 –66 ГГц. Рабочая группа 802.16.2 занимается вопросами «сосуществования » сетей фиксированного широкополосного доступа в нелицензируемых диапазонах 5 –6 ГГц (в частности, с беспроводными ЛС на базе стандарта 802.11а). Наконец, группа 802.16.3 готовит спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2 –11 ГГц. Главной целью создания этой группы стало содействие ускоренному развертыванию систем MMDS путем предоставления производителям возможности создавать совместимые продукты на основе единого стандарта.

Стандарты разрабатываются на базе единой эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех типов в тракте связи между абонентскими устройствами или сетями (например, ЛВС или учрежденческими АТС) и транспортной сетью (ТфОП или Интернет). Первый радиоинтерфейс определяет взаимодействие абонентского приемо-передающего узла с базовой станцией, второй включает в себя два компонента, охватывающие обмен сигналами между радиоузлами и «находящимися за ними » сетями - абонентской и транспортной (в детальной проработке спецификаций этого интерфейса участвуют и другие комитеты IEEE). Спецификации третьего, дополнительного радиоинтерфейса определяют использование повторителей или отражателей для увеличения зоны охвата системы и обхода препятствий на пути распространения сигнала.

Комитетом 802.16 уже приняты предварительные спецификации радиоинтерфейсов систем диапазона 10 – 66 ГГц, использующих технологии доставки сигнала с одной несущей. Стандарт 802.16а определяет для систем диапазона 2 – 11 ГГц оба метода передачи сигнала - с одной несущей и OFDM, а стандарт 802.16b для диапазона 5 – 6 ГГц определяет технологию OFDM.

Европейским «ответом » созданию американских стандартов явилась разработка технологии HiperLAN2 (High Perfomance Radio LAN), которая обещает стать основным конкурентом технологий беспроводных ЛС 802.11. Инициаторами и активными сторонниками нового стандарта являются компании Nokia и Ericsson. Так же, как и 802.11а, стандарт HiperLAN2 ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и способен обеспечить скорость передачи данных до 54 Мбит/с. Оба стандарта используют сходные методы модуляции сигнала на основе мультиплексирования с ортогональным разделением частот (OFDM), однако имеют различные спецификации протоколов доступа к среде MAC. Если для 802.11а он аналогичен Ethernet, то в HiperLAN2 больше напоминает АТМ. Другим отличием HiperLAN2 от 802.11а, которое может дать ему некоторое преимущество над конкурентом, стала поддержка трафика мультимедиа и QoS (802.11а ориентирован в основном на передачу данных). По информации ETSI, разработка стандарта ведется с учетом совместимости оборудования с системами 802.11а.

Американская технология HomeRF ориентирована на создание «домашней мультимедийной среды », объединяющей в себе каналы передачи данных, телефонии, аудио-и видео-информации, возможно в перспективе телеметрии охранных систем и систем жизнеобеспечения. Кроме того, технология позволяет обеспечить выход в Интернет с достаточно большой скоростью. Отсюда и предъявляемые требования к технологии: низкая стоимость, малое энергопотребление (особенно для портативных устройств), уменьшенные габариты, простота технической и программной инсталляции. Структура домашней мультимедийной сети, построенной по технологии HomeRF, представлена на рис.3. В качестве мобильных терминалов могут выступать персональные компьютеры, беспроводные телефонные трубки, гарнитуры. Точка доступа (на рисунке обозначенная как базовая станция) обеспечивает проводную связь с Интернет.

Технология использует диапазон рабочих частот 2,4 ГГц, применяется адаптивная ППРЧ с числом скачков 50 – 100 в секунду. Первый вариант стандарта обеспечивал пиковую скорость передачи данных до 1,6 Мбит/с и типичную дальность связи до 50 м. Второе поколение HomeRF 2.0 позволяет передавать данные со скоростью до 10 Мбит/с. Оба варианта характеризуются в настоящее время малым потреблением мощности абонентскими терминалами в режиме ожидания при наличии связности по протоколу TCP/IP (менее 10 мВт в режиме «on line »). Третье поколение технологии обеспечит скорость передачи до 20 Мбит/с.

Спецификации, описывающие сетевой интерфейс, относятся к двум нижним слоям семиуровневой модели OSI (Open Systems Interconnection)(см.рис.4).

Второй уровень (управление передачей данных - data link control, DLC) в данном случае определяет управление доступом к среде передачи (MAC) и обеспечивает особенности передачи речи или приоритетных данных, безопасность связи, роуминг и соответствие верхним уровням модели. Параметры обоих нижних уровней в данном стандарте совместно оптимизированы для обеспечения заданных требований по внутри-и внесистемной ЭМС.

Технология HomeRF обеспечивает три типа передачи данных (см.рис.4):

• асинхронный, без установления соединения типа «передача данных пакетами » (или «беспроволочный Ethernet ») на основе протокола TCP/IP («Ethernet » Data Path);
• распределенный по приоритетам - сеансовая передача мультимедийных данных на основе UDP/IP (Streaming Data Path);
• изохронная, дуплексная, симметричная, двусторонняя передача для ведения телефонных переговоров в соответствии с DECT-протоколом (Toll Quality Voice Path).

Временной домен построен таким образом, что в пределах временного интервала (10 или 20 мс) первыми передаются приоритетные данные (всего возможно наличие до восьми уровней приоритета). Последняя часть основной длительности домена предназначена для передачи сигналов речевого обмена и делится на соответствующее число слотов фиксированной длины. Передача речи организуется на основе протоколов верхнего уровня стандарта DECT. Более того, в технологии HomeRF непосредственно применяются технические решения производителей оборудования DECT. Важным является то, что чем меньше речевой обмен, тем выше скорость передачи данных. В зависимости от величины речевого трафика 10 или 20 мс длительности временного домена отводится для передачи асинхронного трафика. Одновременно может осуществляться передача до восьми потоков пакетов, при этом очередность передачи определяется заданным приоритетом. Однако, если число потоков меньше восьми, резервирование пакетов (задержка передачи) отсутствует. Последняя часть домена обеспечивает передачу потерянных речевых пакетов на другой частоте, что уникально в данной технологии и позволяет обеспечить качество передачи речи, соответствующее проводной связи.

Сравнение ряда технологий

Начнем с левого нижнего угла рисунка и сравним между собой технологии Bluetooth и ZigBee. Результаты сравнительного анализа представлены в виде табл.2.

Примечания:

1. Скорость передачи в радиолинии, использующей дискретные, например, цифровые сигналы, измеряется в бодах, что соответствует числу дискретных изменений параметров сигнала в единицу времени. Иногда данный параметр называют технической скоростью передачи, так как он характеризует работу модема радиолинии. Информационная скорость передачи измеряется в битах или байтах, передаваемых в единицу времени, и характеризует производительность источника информации. Потребителя интересует «битовая » скорость передачи, а производитель реализует ее с помощью конкретного модема. Отсюда следует расхождение в значениях данных параметров для одной и той же радиолинии.
2. Абонентские терминалы могут находиться в трех режимах: активном (ведется передача), в режиме дежурного приема (терминал готов к немедленной передаче) и режиме «сна », из которого терминал выходит лишь периодически и достаточно долго. Последний режим резко уменьшает энергопотребление абонентского терминала.

Теперь сравним между собой технологии HomeRF и IEEE802.11х. В качестве показателей соответствия рассматриваемых технологий решаемым задачам примем следующее: стоимость, качество речевого обмена, поддержку мультимедийного обмена, скорость передачи данных, дальность связи, потребляемую мощность, массо-габаритные параметры, топологию сети, внешнюю ЭМС, внутреннюю ЭМС, защиту от перехвата и наличие роуминга вне помещения. Технологии будем сравнивать по абсолютным показателям данных параметров.

Стоимость. Более низкая сложность дает HomeRF преимущество по стоимости перед IEEE802.11. В ближайшие несколько лет при одинаковых объемах производства HomeRF будет иметь преимущество по параметру ВОМ (Bill of Materials) не менее чем с коэффициентом 2.

Качество речевого обмена. Технология HomeRF обеспечивает многоканальный речевой обмен с показателями качества, соответствующими проводной связи, а технология IEEE802.11 явно не удовлетворяет современным требованиям. В данном аспекте HomeRF ориентируется на стандарт DECT с его проверенной технологией. IEEE802.11 вообще не ориентирован на речевой обмен, для обеспечения которого необходимо использование специальных дополнительных устройств. Однако и в этом случае передача речи не защищена от внешних воздействий. В наличии и такой недостаток, как несовместимость с технологией DECT.

Поддержка мультимедийного обмена. Технология HomeRF поддерживает независимую от речевого обмена многонаправленную мультимедийную передачу с несколькими приоритетами доступа. IEEE802.11b и IEEE802.11а позволяют передавать данные с большой скоростью, однако при наличии значительного трафика асинхронных данных на сети возможны нежелательные последствия. Данную проблему решает группа разработчиков IEEE802.11е путем совершенствования уровня МАС. Имеются наработки частных компаний в данном направлении, но это «уже не технология IEEE802.11 ».

Таблица 2.Сравнение технологий Bluetooth и ZigBee

Bluetooth	ZigBee
Назначение
Для построения сетей связи динамической структуры (постоянно добавляются новые элементы и выходят из сети имеющиеся, конфигурация топологии сети изменяется)	Сети передачи данных со статической структурой (топология сети длительное время постоянна, номенклатура элементов изменяется редко)
Беспроводная передача звуковых сигналов (речи)	Большое число оконечных устройств
Передача неподвижной графики и изображений	Большая длительность периода обращения главной станции сети оконечным устройствам
Передача файлов	Передача пакетов данных небольшой величины
Отличия радиоинтерфейсов
Программная перестройка радиочастоты (FHSS)	Прямое расширение спектра (DSSS)
Скорость передачи:1 МБод, пиковая скорость передачи данных ~720 кбит/с	Скорость передачи:62,5 кБод,4 бит/символ, пиковая скорость передачи данных ~128 кбит/с
Энергопотребление
Организовано аналогично мобильному телефону (регулярная подзарядка)	2+года от пары батареек типа ААА
Обеспечивает максимальную производительность сети данной структуры	Оптимизировано для режима «сна » оконечного устройства
Временные параметры протоколов
	Оптимизированы для работы сети в критических ситуациях:
Время «прописки » нового оконечного устройства в сети не менее 3 с	Время «прописки » нового оконечного устройства в сети 30 мс
Время перехода оконечного устройства из режима сна в активный режим 3 с	Время перехода оконечного устройства из режима сна в активный режим 15 мс
Время доступа главной станции к активному оконечному устройству 2 мс	Время доступа главной станции к активному оконечному устройству 15 мс
Особенности реализации
Низкая стоимость расширения сети	Минимальная стоимость оконечных устройств
Расширенная программная поддержка за счет возможностей ПК	Минимальное программное обеспечение и недорогой процессор (80С51)
Реализация возможностей протоколов IEEE802.11x при наличии упрощенного радиооборудования	Отсутствие необходимости поддержки работы оконечного устройства со стороны ПК
	Ориентация на производство интегрированных чипов для различных приложений

Скорость передачи данных . HomeRF и IEEE802.11 обеспечивают необходимую для высокоскоростной системы скорость передачи, но для HomeRF его дальнейшее развитие до скоростей порядка 20 Мбит/с не связано с такими глобальными проблемами, как для IEEE802.11 (переход в новый диапазон частот). IEEE802.11b также развивается в направлении увеличения скорости передачи данных до 20 Мбит/с с сохранением обратной совместимости (группа разработки IEEE802.11g), однако предлагаемые решения приводят к нарушению существующих правил использования диапазона 2,4 ГГц. Скорее успеха добьется IEEE802.11а, но она не обладает совместимостью с существующей IEEE802.11b.

Дальность связи. IEEE802.11 первоначально была рассчитана на работу при отсутствии внешних мешающих воздействий, в то время как HomeRF разработана для условий сложной электромагнитной обстановки.

Потребляемая мощность . Технология HomeRF оптимизирована для низкого энергопотребления АТ в режиме ожидания. То же относится и к активной фазе работы устройств.

Массо-габаритные параметры . Техника HomeRF имеет значительно более простое устройство портативных компонентов. Для IEEE802.11 также широко применяются PC Card (или PCMCIA Card), однако наименьшие параметры соответствуют Compact Flash Card, которая пока может использоваться только в HomeRF.

Топология сети. Технология HomeRF одновременно поддерживает взаимодействие элементов иерархической сети и элементов одноуровневой сети. Иерархическая структура идеальна для высококачественной передачи речи и интернет-приложений типа webcasting. Одноуровневая структура удобна при эффективном распределении ресурсов сети (например, для доступа к обслуживающему прибору). Bluetooth - по существу система типа «точка - многоточка ». Это эффективно в сети «главный компьютер/сеть пользователей » (особенно с учетом того, что главный элемент может не определяться заранее). Однако данный факт изначально определяет неэффективное использование «пропускной способности системы » в целом. Варианты стандарта IEEE802.11 могут функционировать в обоих типах сетей (PCF - Point Coordination Function или DCF - Distributed Coordination Function), но не одновременно в обоих. Существующие изделия варианта IEEE802.11b функционируют только в DCF. Уменьшение потребляемой мощности и реализацию приоритетной передачи данных можно достичь в более сложной и дорогой PCF. Исследовательская группа IEEE802.11e активно изучает вопросы развития PCF на основе изменения уровня MAC, что может в корне изменить развитие технологии варианта IEEE802.11b в направлении потоковой передачи данных. Дополнительной сложностью при решении данной задачи явится обеспечение роуминга потребителей.

Внешняя ЭМС. HomeRF был изначально разработан, чтобы успешно противодействовать внешнему вмешательству в диапазоне 2,4 ГГц. Для сохранения высокого качества речевого обмена в условиях воздействия внесистемных помех предусмотрена особая технология повторной передачи пораженных речевых пакетов. В отсутствие предельного трафика речевого обмена обеспечивается качественная передача потоков данных на основе использования ППРЧ. К настоящему времени стандарт IEEE802.11b исследован гораздо больше на предмет эффекта воздействия нежелательных излучений, хотя имеющиеся данные во многом противоречивы. Так, например, большинство пользователей не обращает внимания на уменьшение на 10 –40% скорости передачи устройства, находящегося рядом с микроволновой печью. Большой проблемой для сетей IEEE802.11 являются существенные флуктуации качества передачи речи при значительном объеме передачи данных (внутренняя перегрузка сети). Вариант IEEE802.11a «не зависит » от интерференционных проблем сегодня только потому, что в настоящее время диапазон 5 ГГц относительно свободен, однако в перспективе его подстерегают те же проблемы.

Внутренняя ЭМС. Цель разработки IEEE802.11 - эффективная организация ЛВС на одном большом предприятии, а не на многих малых, размещенных рядом друг с другом. Оптимизировалась производительность системы в целом, а не одного или группы пользователей. При обнаружении излучения (даже с уровнем ниже мешающего) устройство перестает работать в сети, и две реально не мешающие друг другу сети перестают функционировать. Технология HomeRF потенциально лишена этого недостатка.

Защита от перехвата. Рассматриваемые стандарты являются цифровыми и использование стандартных процедур шифрования и аутотенфикации защищают их на бытовом уровне от радиоперехвата. Однако от специальных систем они не имеют достаточной защиты. Проведенные исследования показали вскрываемость системы защиты IEEE02.11b и возможность подключения устройства пользователя к внешней сети для несанкционированного доступа к его информации или ввода в него дезинформации даже без определения шифроключа. HomeRF обеспечивает лучшую защиту на логическом уровне.

Роуминг вне помещения. Обеспечивается обоими стандартами.

Интегральный вывод из проведенного анализа целого ряда технологий следующий: каждая технология разработана для своей цели. Стандарт IEEE802.11 рассчитан на использование в сфере бизнеса. Технология HomeRF предназначена для создания домашней мультимедийной сети с широкополосным доступом пользователей к Интернету. Bluetooth обеспечивает беспроводную связь в подвижных (транспортных) системах и в помещениях небольшого объема. ZigBee является стандартом для создания технологических сетей обмена телеметрией и командами управления.

В настоящее время преодолеть разногласия отдельных групп разработчиков и производителей технологий передачи данных не удалось. Удастся ли создать единую технологическую платформу для передачи данных? Пока что решение этой задачи не очевидно.

Владимир Дмитриев

Беспроводные технологии служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

Классификация по дальности действия:

• Беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks). К этим сетям относятся Bluetooth.
• Беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks). К этим сетям относятся сети стандарта Wi-Fi.
• Беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX.

Классификация по применени ю :

• Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети — создаваемые компаниями для собственных нужд.
• Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

Краткий обзор самых популярных технологий беспроводной передачи данных

Wi- Fi

Разработан консорциумом Wi-Fi Alliance на базе стандартов IEEE 802.11, «Wi-Fi» - торговая марка «Wi-Fi Alliance». Название технологии - Wireless-Fidelity («беспроводная точность») по аналогии с Hi-Fi.

В начале использования установка Wireless LAN рекомендовалась там, где развертывание кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно. В настоящий момент во многих организациях используется Wi-Fi, так как при определенных условиях скорость работы сети уже превышает 100 Мбит/сек. Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi-Fi.

Мобильные устройства (КПК, смартфоны, PSP и ноутбуки), оснащенные клиентскими Wi-Fi приёмо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Интернет через точки доступа или хот-споты.

История

Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии - Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi - Вик Хейз (Vic Hayes ) работал в команде, участвовавшей в разработке стандартов IEEE 802.11b, IEEE_802.11a и IEEE_802.11g. Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 МБит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 480 Мбит/с.

Bluetooth

Bluetooth - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN ).

Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group, которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования - 14 июня 2002 года). Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.

Радиус действия Bluetooth может достигать 100 метров.

WiMAX (англ. Worldwide I nteroperability for Microwave Access ) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Технология разработана на основе стандарта IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN.

Область использования

WiMAX разработан для решения следующих задач:

· Соединение точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

· Обеспечение беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

· Предоставление высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

• Создание точек доступа, не привязанных к географическому положению.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках целых городов.

Спецификации стандартов WiMAX

IEEE 802.16-2004 (известен также как 802.16d или фиксированный WiMAX) . Спецификация утверждена в 2004 году. Поддерживает фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства: стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

IEEE 802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX ). Спецификация утверждена в 2005 году и оптимизирована для поддержки мобильных пользователей и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер(англ.), idle mode и роуминг. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, в том числе первым в России свою сеть развернул «Скартел». Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSDPA).

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Страница 47 из 47 Беспроводная передача данных

Беспроводная передача данных

Беспроводная связь стала использоваться для общения между людьми ненамного позже, чем проводная. Уже в 90-х годах 19 века были проведены первые эксперименты по передаче телеграфных сообщений с помощью радиосигналов, а в 20-е годы 20 века началось применение радио для передачи голоса.

Сегодня существует большое число беспроводных телекоммуникационных систем, в том числе не только широковещательных, таких как радио или телевидение. Беспроводные системы также широко используются как транспортное средство для передачи дискретной информации. Для создания протяженных линий связи используются радиорелейные и спутниковые системы, существуют также беспроводные системы доступа к сетям операторов связи и беспроводные локальные сети.

Беспроводная среда, для которой сегодня в основном используется микроволновый диапазон, отличается высоким уровнем помех, которые создают внешние источники излучения, а также многократно отраженные от стен и других преград полезные сигналы. Поэтому в беспроводных системах связи применяют различные средства для снижения влияния помех. В арсенал таких средств входят коды прямой коррекции ошибок и протоколы с подтверждением доставки информации. Эффективным средством борьбы с помехами является техника расширенного спектра, разработанная специально для беспроводных систем.

Преимущества беспроводных коммуникаций

Возможность передавать информацию без проводов, привязывающих (в буквальном смысле этого слова) абонентов к определенной точке пространства, всегда была очень привлекательной. И как только технические возможности становились достаточными для того, чтобы новый вид беспроводных услуг приобрел две необходимые составляющие успеха - удобство использования и низкую стоимость, - успех ему был гарантирован.

Последнее тому доказательство - мобильная телефония. Первый мобильный телефон был изобретен еще в 1910 году Ларсом Магнусом Эрикссоном (Lars Magnus Ericsson). Этот телефон предназначался для автомобиля и был беспроводным только во время движения. Однако в движении им нельзя было пользоваться, для разговора нужно было остановиться, выйти из автомобиля и с помощью длинных жердей присоединить телефон к придорожным телефонным проводам Понятно, что определенные неудобства и ограниченная мобильность воспрепятствовали коммерческому успеху этого вида телефонии.

Прошло много лет, прежде чем технологии радиодоступа достигли определенной степени зрелости и в конце 70-х обеспечили производство сравнительно компактных и недорогих радиотелефонов. С этого времени начался бум мобильной телефонии, который продолжается в настоящее время.

Беспроводная связь не обязательно означает мобильность. Существует так называемая фиксированная беспроводная связь, когда взаимодействующие узлы постоянно располагаются в пределах небольшой территории -, например определенного здания. Фиксированная беспроводная связь применяется вместо проводной, когда по какой-то причине невозможно или невыгодно использовать кабельные линии связи. Причины могут быть разными. Например, малонаселенная или труднодоступная местность - болотистые районы и джунгли Бразилии, пустыни, крайний Север или Антарктида еще не скоро дождутся своих кабельных систем. Другой пример - здания, имеющие историческую ценность, стены которых непозволительно подвергать испытанию прокладкой кабеля. Еще один часто встречающийся случай использования фиксированной беспроводной связи - получение доступа к абонентам, дома которых уже подключены к точкам присутствия существующих уполномоченных операторов связи. Наконец, организация временной связи, например, при проведении конференции в здании, в котором отсутствует проводной канал, имеющий скорость, достаточную для качественного обслуживания многочисленных участников конференции.

Беспроводная связь уже достаточно давно используется для передачи данных. До недавнего времени большая часть применений беспроводной связи в компьютерных сетях была связана с ее фиксированным вариантом. Не всегда архитекторы и пользователи компьютерной сети знают о том, что на каком-то участке пути данные передаются не по проводам, а распространяются в виде электромагнитных колебаний через атмосферу или космическое пространство. Это может происходить в том случае, когда компьютерная сеть арендует линию связи у оператора первичной сети, и отдельный канал такой линии является спутниковым или наземным СВЧ-каналом.

Начиная с середины 90-х годов достигла необходимой зрелости и технология мобильных компьютерных сетей. С появлением стандарта IEEE 802.11 в 1997 году появилась возможность строить мобильные сети Ethernet, обеспечивающие взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся и оборудованием какого производителя они пользуются.

Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, однако это не всегда верно. Беспроводная связь использует широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц до видимого света, частота которого составляет примерно 8 х 10 14 Гц.

Беспроводная линия связи

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 скоростьюво всех направлениях или же в пределах определенного сектора.

Направленность или ненаправленность распространения зависит от типа антенны. На рис. показана параболическая антенна, которая является направленной. Другой тип антенн - 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. 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 пространстве, а 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 осуществляет DCE-устройство, располагаемое между антенной и DTE-устройством, которым может быть компьютер, коммутатор или маршрутизатор компьютерной сети.

Диапазоны электромагнитного спектра

Движение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут рас­пространяться в пространстве (даже в вакууме). Это явление было предсказано британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (James Clerk Maxwell) в 1865 году. Первый эксперимент, при котором их можно было наблюдать, поста­вил немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz) в 1887 году.

Характеристики беспроводной линии связи - расстояние между узлами, территория охвата, скорость передачи информации и т. п. - во многом зависят от частоты используемого электромагнитного спектра (частота f и длина волны X связаны соотношением).

На рис. показаны диапазоны электромагнитного спектра. Можно сказать, что они и соответствующие им беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы.

□ Диапазон до 300 ГГц имеет общее стандартное название - радиодиапазон. Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов (они показаны на рисунке), начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF). Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определенное в стандартах, однако чаете) используемое название широковещательное радио. Сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FM-диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобит в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400, 9600 или 19200 Кбит/с.

Несколько диапазонов от 300 МГц до 3000 ГГц имеют также нестандартное название микроволновых диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL).

Выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микроволновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то системы инфракрасных волн используются для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.

В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.

Распространение электромагнитных волн

Количество информации, которое может переносить электромагнитная волна, связано с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрастать восьмикратно на высоких частотах.

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 AM-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходится комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал.телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не прохода передачу прямой видимостью (Line Of Sight, LOS).

Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстояниеям от источника. При. распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала.

Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли. Именно поэтому сигналы АМ-радио могут передаваться на расстояния в сотни 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 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 превалирующей, 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.

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.

На рис. показано, что сигнал, встретившись с препятствием, может распространяться в соответствии с тремя механизмами : отражением, дифракцией и рассеиванием.

Когда сигнал встречается с препятствием, которое частично прозрачно для данной длины волны и в то же время размеры которого намного превышают длину волны, то часть энергии сигнала отражается от такого препятствия. Волны микроволнового диапазона имеют длину несколько сантиметров, поэтому они частично отражаются от стен домов при передаче сигналов в городе. Если сигнал встречает непроницаемое для него препятствие (например, металлическую пластину) также намного большего размера, чем длина волны, то происходит дифракция - сигнал как бы огибает препятствие, так что такой сигнал можно получить, даже не находясь в зоне прямой видимости. И наконец, при встречес препятствием, размеры которого соизмеримы с длиной волны, сигнал рассеивается, распространяясь под различными углами.

В результате подобных явлений, которые повсеместно встречаются при беспроводной связи в городе, приемник может получить несколько копий одного и того же сигнала. Такой эффект называется многолучевым распространением сигнала. Результат многолучевого распространения сигнала часто оказывается отрицательным, поскольку один из сигналов может прийти с обратной фазой и подавить основной сигнал.

Так как время распространения сигнала вдоль различных путей будет в общем случае различным, то может также наблюдаться и межсимвольная интерференция, ситуация, когда в результате задержки сигналы, кодирующие соседние биты данных, доходят до приемника одновременно.

Искажения из-за многолучевого распространения приводят к ослаблению сигнала, этот эффект называется многолучевым замиранием. В городах многолучевое замирание приводит к тому, что ослабление сигнала становится пропорциональным не квадрату расстояния, а его кубу или даже четвертой степени!

Все эти искажения сигнала складываются с внешними электромагнитными помехами, которых в городе довольно много. Достаточно сказать, что в диапазоне 2,4 ГГц работают микроволновые печи.

Отказ от проводов и обретение мобильности приводят к высокому уровню помех в беспроводных линиях связи. Если интенсивность битовых ошибок (ВЕЯ) в проводных линиях связи равна, то в беспроводных линиях связи она достигает величины!

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.

Лицензирование

Итак, электромагнитные волны могут распространяться во всех направлениях на значительные расстояния и проходить через препятствия, такие как стены домов. Поэтому проблема совместного использования электромагнитного спектра является весьма острой и 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.

При выдаче лицензий правительственные органы руководствуются различными стратегиями. Наиболее популярными являются три: конкурс, лотерея, аукцион.

Участники конкурса - операторы связи - разрабатывают детальные предложения. В них они описывают их будущие услуги, технологии, которые будут использоваться для реализации этих услуг, уровень цен для потенциальных клиентов и т. п. Затем комиссия рассматривает все предложения и выбирает оператора, который в наилучшей степени будет соответствовать общественным интересам. Сложность и неоднозначность критериев выбора победителя в прошлом часто приводили к значительным задержкам в принятии решений и коррупции среди государственных чиновников, поэтому некоторые страны, например США, отказались от такого метода. В то же время в других странах он все еще используется, чаще всего для наиболее значимых для страны услуг, например развертывания современных систем мобильной связи 3G.

Лотерея - это наиболее простой способ, но он также не всегда приводит к справедливым результатам, поскольку в лотерее могут принимать участие и «подставные» операторы, которые не собираются вести операторскую деятельность, а хотят просто перепродать лицензию.

Аукционы сегодня являются достаточно популярным способом выявления обладателя лицензии. Они отсекают недобросовестные компании и приносят немалые доходы государствам. Впервые аукцион был проведен в Новой Зеландии в 1989 году. В связи с бумом вокруг мобильных систем 3G многие государства хорошо пополнили свои бюджеты за счет подобных аукционов.

Существуют также три частотных диапазона, 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц, которые рекомендованы ITU как диапазоны для международного использования без лицензирования. 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. Сегодня активно осваивается диапазон 2,4 ГГц, например, в технологиях IEEE 802.11 и Bluetooth. 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.

В России для гражданской радиосвязи выделены три диапазона частот:

27 МГц (гражданский диапазон), с разрешённой выходной мощностью передатчика до 10 Вт;

433 МГц (LPD), выделено 69 каналов для носимых радиостанций с выходной мощностью передатчика не более 0,01 Вт;

446 МГц (PMR), выделено 8 каналов для носимых радиостанций с выходной мощностью передатчика не более 0,5 Вт.

Существуют также специальные методы кодирования, которые уменьшают взаимное влияние устройств, работающих в ISM-диапазонах.

Инфракрасные и миллиметровые волны

Инфракрасное и миллиметровое излучения без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях. Дистанционные пульты управления для телевизоров, видеомагнитофонов и стереоаппаратуры используют инфракрасное излучение. Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но имеют один важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твердые объекты (попробуйте встать между телевизором и пультом).

С другой стороны, тот факт, что инфракрасные волны не проходят сквозь стены, является также и положительным. Ведь это означает, что инфракрасная система в одной части здания не будет интерферировать с подобной системой в соседней комнате - вы, к счастью, не сможете управлять со своего пульта телевизором соседа. Кроме того, это повышает защищенность инфракрасной системы от прослушивания по сравнению с радиосистемой. По этой причине для использования инфракрасной системы связи не требуется государственная лицензия, в отличие от радиосвязи (кроме диапазонов ISM). Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Связь в видимом диапазоне

Ненаправленные оптические сигналы использовались в течение нескольких веков. Герой американской войны за независимость Пол Ревер (Paul Revere) в 1775 году в Бостоне использовал двоичные оптические сигналы, информируя с колокольни Старой Северной церкви (Old North Church) население о наступлении англичан. Более современным приложением является соединение локальных сетей в двух зданиях при помощи лазеров, установленных на крышах. Связь с помощью когерентных волн лазера является сугубо однонаправленной, поэтому для двусторонней связи необходимо на каждой крыше установить по лазеру и по фотодетектору. Такая технология позволяет организовать связь с очень высокой пропускной способностью при очень низкой цене. Кроме того, такая система довольно просто монтируется и, в отличие от микроволновой связи, не требует лицензии FCC (Федеральной комиссии связи США).

Узкий луч является сильной стороной лазера, однако он создает и некоторые проблемы. Чтобы попасть миллиметровым лучом в мишень диаметром 1 мм на расстоянии 500 м, требуется снайперское искусство высочайшей пробы. Обычно на лазеры устанавливаются линзы для небольшой расфокусировки луча.

Недостатком лазерного луча является также неспособность проходить сквозь дождь или густой туман, хотя в солнечные ясные дни он работает прекрасно. Тем не менее, автор однажды присутствовал на конференции в современной европейской гостинице, где организаторы заботливо предоставили комнату, полную терминалов, чтобы участники конференции могли читать свою электронную почту во время скучных презентаций. Поскольку местная телефонная станция не желала устанавливать большое количество телефонных линий всего на три дня, организаторы установили лазер на крыше и нацелили его на здание университетского компьютерного центра, который находится на расстоянии нескольких километров. В ночь перед конференцией они проверили связь - она работала прекрасно. В 9 часов следующего утра, в ясный солнечный день связь была полностью потеряна и отсутствовала весь день. Вечером организаторы опять тщательно проверили связь и снова убедились в ее прекрасной работе. На следующий день связи опять не было.

Когда конференция закончилась, организаторы обсудили эту проблему. Как выяснилось, в дневное время солнце нагревало крышу, горячий воздух от нее поднимался и отклонял лазерный луч, начинавший танцевать вокруг детектора. Этот эффект можно наблюдать невооруженным глазом в жаркий день на шоссе или над горячим радиатором автомобиля. Борясь с этим эффектом, астрономы располагают свои телескопы высоко в горах, подальше от атмосферы.

Спутниковые системы

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.

Идея использовать искусственный спутник Земли для создания линий связи появилась задолго до запуска в 1957 году первого такого спутника Советским Союзом. Писатель-фантаст Артур Кларк продолжил дело Жюля Верна и Герберта Уэллса, которым удалось описать много технических изобретений до их появления. Кларк в 1945 году описал геостационарный спутник, который висит над одной точкой экватора и обеспечивает связью большую территорию Земли.

Первый спутник, запущенный Советским Союзом в годы холодной войны, обладал очень ограниченными телекоммуникационными возможностями - он только передавал радиосигнал «бип-бип», извещая мир о своем присутствии в космосе. Однако успех России в космосе подхлестнул усилия Америки, и в 1962 году она запустила первый телекоммуникационный спутник Telstar-1, который поддерживал 600 голосовых каналов.

В настоящее время функции спутника как телекоммуникационного узла, естественно, усложнились. 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.

Спутникам связи присущи определенные свойства, делающие их чрезвычайно привлекательными для самых разных областей применения. Проще всего пред­ставить себе спутник связи в виде своего рода огромного микроволнового повто­рителя, висящего в небе. Он включает в себя несколько транспондеров, каждый из которых настроен на определенную часть частотного спектра. Транспондеры усиливают сигналы и преобразуют их на новую частоту, чтобы при отправке на Землю отраженный сигнал не накладывался на прямой.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Исследование технологий сетей является очень важным в современных условиях рыночной экономики, в особенности в сфере информационных технологий. Так как на выбор сети оказывают влияние много факторов, я продемонстрировал наиболее важные из них: расстояние, качество связи, кодек и контейнер в котором закодирован файл. Приложение позволяет рассчитать приблизительное время передачи данных, так как заявленная в сети скорость не всегда является фактической. Таким образом можно подобрать оптимальную технологию для передачи данных в нужных условиях.

Беспроводная связь - в первую очередь - возможность передачи информации на расстояния без кабельной системы. Преимущество беспроводной связи - простота установки. Когда не требуется прокладывать физические провода до офиса, процедура установки может быть быстрой и экономически эффективной. Беспроводная связь упрощает также подключение труднодоступных объектов, таких как складские и заводские помещения. Затраты на построение беспроводной связи обходятся дешевле, поскольку при этом ликвидируются проблемы с организацией прокладки проводов и затраты, связанные с этим процессом.

В беспроводной связи наиболее распространенными и известными на сегодняшний день являются три семейства технологий передачи информации, такие как Wi - Fi, GSM, Bluetooth. Эти технологии детально рассматриваются в плане защищенности от возможных атак.

Технология Wi-Fi (сокращение от wireless fidelity - "Беспроводная надёжность") применяется при соединении большого количества компьютеров. Другими словами, это беспроводное подключение к сети. Одна из самых перспективных технологий на сегодняшний день в области компьютерной связи.

GSM - (Global System for Mobile Communications - глобальная система связи с подвижными объектами). Технология GSM родилась в недрах компании Group Special Mobile, от которой и получила сокращение GSM, однако со временем сокращение получило другую расшифровку Global System for Mobile.

Bluetooth - это технология беспроводной передачи данных малой мощности, разрабатываемая с целью замены существующих проводных соединений персональных офисной и бытовой техники с широким спектром переносных устройств, таких, как мобильные телефоны и гарнитуры к мобильным телефонам, датчики сигнализации и телеметрии, электронные записные книжки и карманные компьютеры.

1. АНАЛИЗ БЕЗПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

1.1 Беспроводная связь технологии WI - FI

Wi-Fi - это современная технология беспроводного доступа в интернет. Доступ в интернет по технологии Wi-Fi осуществляется посредством специальных радиоточек доступа.(AP Access Point).

Существует такие разновидности Wi - Fi сетей:

Первая работает на частоте 5 ГГц, остальные на частоте 2.4ГГц. Каждый тип имеет разную пропускную способность (максимально теоретически возможную скорость):

для 801.11a это 54 Мбит/c;

для 801.11b это 11 Мбит/c;

для 801.11g это 54 Мбит/с;

для 801.11n это 600 Мбит/с.

Любая беспроводная сеть состоит как минимум из двух базовых компонентов - точки беспроводного доступа, клиента беспроводной сети (режим ad-hoc, при котором клиенты беспроводной сети общаются друг с другом напрямую без участия точки доступа). Стандартами беспроводных сетей 802.11a/b/g предусматривается несколько механизмов обеспечения безопасности, к которым относятся различные механизмы аутентификации пользователей и реализация шифрования при передаче данных. Подключиться к сети Wi-Fi можно с помощью ноутбуков, карманных компьютеров, смартфонов, оснащенных специальным оборудованием. На сегодняшний день практически все современные портативные и карманные компьютеры являются Wi-Fi-совместимыми.

Если же ноутбук не оснащен специальным оборудованием, то можно легко использовать эту удобную технологию, необходимо, лишь в PCMCIA-слот компьютера установить специальную Wi-Fi-карточку, или через USB-порт подключить внешнее Wi-Fi-устройство. Для подключения к Wi-Fi сети, достаточно просто попасть в радиус действия (100-300 м.) беспроводной точки доступа Wi-Fi.

Преимущества Wi-Fi:

простой и удобный способ подключения к услуге;

отсутствие необходимости подключения дополнительных устройств - модемов, телефонных линий, выделенных каналов для соединения с сетью Интернет;

простой способ настройки компьютера;

нет зависимости от времени использования услуги, оплата только за используемый Интернет - трафик;

скорость приема/передачи данных - до 54 Мбит/с;

защищенность передачи данных;

постоянно расширяемая сеть точек доступа Wi-Fi.

Рассмотрим недостатки Wi-Fi. Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Беларусь и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.

В России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации.

На Украине использование Wi-Fi без разрешения Украинского государственного центра радиочастот «Український державний центр радіочастот», возможно лишь в случае использования точки доступа со стандартной всенаправленной антенной (<6 Дб, мощность сигнала? 100 мВт на 2.4 ГГц и? 200 мВт на 5 ГГц). Для внутренних (использование внутри помещения) потребностей организации (Решение Национальной комиссии по регулированию связи Украины № 914 от 2007.09.06) В случае сигнала большей мощности либо предоставления услуг доступа в Интернет, либо к каким-либо ресурсам, необходимо регистрировать передатчик и получить лицензию.

1.1.1 Описание протоколов безопасности беспроводной сети Wi -Fi

Все современные беспроводные устройства (точки доступа, беспроводные адаптеры и маршрутизаторы) поддерживают протокол безопасности WEP (Wired Equivalent Privacy), который был изначально заложен в спецификацию беспроводных сетей IEEE 802.11.Протокол WEP используется для обеспечения конфиденциальности и защиты передаваемых данных авторизированных пользователей беспроводной сети от прослушивания. Существует две разновидности WEP: WEP-40 и WEP-104, различаются только длиной ключа. В настоящее время данная технология является устаревшей, так как ее взлом может быть осуществлен всего за несколько минут. Тем не менее, она продолжает широко использоваться. Для безопасности в сетях Wi-Fi рекомендуется использовать WPA.

В протоколе безопасности WEP есть множество слабых мест:

механизмы обмена ключами и проверки целостности данных;

малая разрядность ключа и вектора инициализации;

способ аутентификации;

алгоритм шифрования.

Данный протокол, является своего рода протоколом, аналогом проводной безопасности (во всяком случае, расшифровывается он именно так), однако реально никакого эквивалентного проводным сетям уровня безопасности он, конечно же, не предоставляет. Протокол WEP позволяет шифровать поток передаваемых данных на основе алгоритма RC 4 с ключом размером 64 или 128 бит. Данные ключи имеют так называемую статическую составляющую длиной от 40 до 104 бит и дополнительную динамическую составляющую размером 24 бита, называемую вектором инициализации (Initialization Vector, IV).

Процедура WEP-шифрования выглядит следующим образом: первоначально передаваемые в пакете данные проверяются на целостность (алгоритм CRC-32), после чего контрольная сумма (integrity check value, ICV) добавляется в служебное поле заголовка пакета. Далее генерируется 24-битный вектор инициализации, (IV) и к нему добавляется статический (40-или 104-битный) секретный ключ. Полученный таким образом 64-или 128-битный ключ и является исходным ключом для генерации псевдослучайного числа, использующегося для шифрования данных. Далее данные шифруются с помощью логической операции XOR с псевдослучайной ключевой последовательностью, а вектор инициализации добавляется в служебное поле кадра (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Формат кадра WEP

Кадр WEP включает в себя следующие поля:

незашифрованная часть;

вектор инициализации (англ. Initialization Vector) (24 бита);

пустое место (англ. Pad) (6 бит);

идентификатор ключа (англ. Key ID) (2 бита);

зашифрованная часть;

контрольная сумма (32 бита).

Инкапсуляция данных в WEP происходит следующим образом (рис. 1.2.):

контрольная сумма от поля «данные» вычисляется по алгоритму CRC32 и добавляется в конец кадра;

данные с контрольной суммой шифруются алгоритмом RC4, использующим в качестве ключа SEED;

проводится операция XOR над исходным текстом и шифртекстом;

в начало кадра добавляется вектор инициализации и идентификатор ключа.

Рисунок 1.2 - Инкапсуляция WEP

Декапсуляция данных в WEP происходит следующим образом (рис. 1.3):

к используемому ключу добавляется вектор инициализации;

происходит расшифрование с ключом, равным SEED;

проводится операция XOR над полученным текстом и шифротекстом;

проверяется контрольная сумма.

Протокол безопасности WEP предусматривает два способа аутентификации пользователей: открытая и общая аутентификация. При использовании открытой аутентификации, любой пользователь может получить доступ в беспроводную сеть. Однако даже при использовании открытой системы допускается использование WEP-шифрования данных. Протокол WEP имеет ряд серьёзных недостатков и не является для взломщиков труднопреодолимым препятствием.

В 2003 году был представлен следующий протокол безопасности - WPA (Wi-Fi Protected Access). Главной особенностью этого протокола является технология динамической генерации ключей шифрования данных, построенная на базе протокола TKIP (Temporal Key Integrity Protocol), представляющего собой дальнейшее развитие алгоритма шифрования RC4. WPA поддерживается шифрование в соответствии со стандартом AES (Advanced Encryption Standard, усовершенствованный стандарт шифрования), который имеет ряд преимуществ над используемым в WEP RC4, например, гораздо более стойкий криптоалгоритм.

Некоторые отличительные особенности WPA:

обязательная аутентификация с использованием EAP;

система централизованного управления безопасностью, возможность использования в действующих корпоративных политиках безопасности.

Суть протокола WPA можно выразить определенной формулой:

WPA = 802.1X + EAP + TKIP + MIC

WPA, по сути, является суммой нескольких технологий. В протоколе WPA используется расширяемый протокол аутентификации (EAP) как основа для механизма аутентификации пользователей. Непременным условием аутентификации является предъявление пользователем свидетельства (иначе называют мандатом), подтверждающего его право на доступ в сеть. Для этого права пользователь проходит проверку по специальной базе зарегистрированных пользователей. Без аутентификации работа в сети для пользователя будет запрещена. База зарегистрированных пользователей и система проверки в больших сетях, как правило, расположены на специальном сервере (чаще всего RADIUS). Но следует отметить, что WPA имеет упрощённый режим. Этот режим получил название Pre-Shared Key (WPA-PSK). При применении режима PSK необходимо ввести один пароль для каждого отдельного узла беспроводной сети (беспроводные маршрутизаторы, точки доступа, мосты, клиентские адаптеры). Если пароли совпадают с записями в базе, пользователь получит разрешение на доступ в сеть.

Стандарт "IEEE 802.1X" определяет процесс инкапсуляции данных EAP, передаваемых между запрашивающими устройствами (клиентами), системами, проверяющими подлинность (точками беспроводного доступа), и серверами проверки подлинности (RADIUS).

EAP (англ. Extensible Authentication Protocol, расширяемый протокол аутентификации) - в телекоммуникациях расширяемая инфраструктура аутентификации, которая определяет формат посылки и описана документом RFC 3748. Протоколы WPA и WPA2 поддерживают пять типов EAP как официальные инфраструктуры аутентификации (всего существует порядка 40 типов EAP); для беспроводных сетей актуальны EAP-TLS, EAP-SIM, EAP-AKA, PEAP, LEAP и EAP-TTLS.

TKIP - протокол целостности временного ключа (англ. Temporal Key Integrity Protocol) в протоколе защищённого беспроводного доступа WPA (Wi-Fi Protected Access). Был предложен Wi-Fi Alliance для замены уязвимого протокола WEP при сохранении инсталлированной базы беспроводного оборудования заменой программного обеспечения. TKIP вошел в стандарт IEEE 802.11i как его часть.TKIP, в отличие от протокола WEP использует более эффективный механизм управления ключами, но тот же самый алгоритм RC4 для шифрования данных. Согласно протоколу TKIP, сетевые устройства работают с 48-битовым вектором инициализации (в отличие от 24-битового вектора инициализации протокола WEP) и реализуют правила изменения последовательности его битов, что исключает повторное использование ключей и осуществление replay-атак. В протоколе TKIP предусмотрены генерация нового ключа для каждого передаваемого пакета и улучшенный контроль целостности сообщений с помощью криптографической контрольной суммы MIC (Message Integrity Code), препятствующей атакующему изменять содержимое передаваемых пакетов (forgery-атака).

1.2 Технология GSM

GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation), хотя на 2010 год условно находится в фазе 2,75G благодаря многочисленным расширениям (1G -- аналоговая сотовая связь, 2G -- цифровая сотовая связь, 3G -- широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет). Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования:

Однодиапозонные -- телефон может работать на одной из частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённой частоты в некоторых моделях телефонов, например MotorolaC115, или с помощью инженерного меню телефона;

двухдиапазонные (DualBand) _ для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады;

трёхдиапазонные (TriBand) _ для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады;

четырехдиапазонные (QuadBand) _ поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.

В стандарте GSM применяется GMSK модуляция с величиной нормированной полосы ВТ _ 0,3, где В _ ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.

На сегодняшний день GSM является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи, 29 % населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий. Изначально GSM обозначало «Groupe Spйcial Mobile», по названию группы анализа, которая создавала стандарт. Теперь он известен как «Global System for Mobile Communications» (Глобальная Система для Мобильной Связи), хотя слово «Cвязь» не включается в сокращение. Разработка GSM началась в 1982 году группой из 26 Европейских национальных телефонных компаний. Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT), стремилась построить единую для всех европейских стран сотовую систему диапазона 900 MГц.

Достижения GSM стали «одними из наиболее убедительных демонстраций, какое сотрудничество в Европейской промышленности может быть достигнуто на глобальном рынке». В 1989 году Европейский Телекоммуникационный Институт Стандартов (ETSI) взял ответственность за дальнейшее развитие GSM. В 1990 году были опубликованы первые рекомендации. Спецификация была опубликована в 1991 году. Коммерческие сети GSM начали действовать в Европейских странах в середине 1991 г. GSM разработан позже, чем обычная сотовая связь и во многих отношениях лучше был сконструирован. Северо-Американский аналог -- PCS, вырастил из своих корней стандарты, включая TDMA и CDMA цифровые технологии, но для CDMA реально возросшая возможность обслуживания так и не была никогда подтверждена.

1.2.1 Механизмы защиты от НСД в технологии GSM

В технологии GSM определены следующие механизмы обеспечения безопасности;

аутентификация;

секретность передачи данных;

секретность абонента;

секретность направлений соединения абонентов;

секретность при обмене сообщениями между Н1.К VIК и МSС;

защита модуля подлинности абонента;

защита от НСД в сети передачи данных GPRS.

Защита сигналов управления и данных пользователя осуществляем только по радиоканалу. В линиях проводной связи информация передается без шифрования.

1.2.2 Механизмы аутентификации

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся и определяются механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента.

Каждый подвижный абонент (абонентская станция) на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит:

международный идентификационный номер подвижного абонента (ISMI);

свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki);

алгоритм аутентификации (А3).

С помощью, заложенной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между абонентской станцией и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети. Аутентификация абонента показана на рис. 2.1.

Центр коммутации сети передает случайный номер RAND на абонентскую станцию, которая вычисляет значение отклика SRES, вычисленного сетью. Если оба значения совпадают, АС может осуществлять передачу сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор АС должен показать, что опознавание не состоялось.

Для повышения стойкости системы к прямым атакам вычисление SRES происходит внутри SIM - карты. Несекретная информация (такая как Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.

Рисунок 2.1 - Аутентификация абонента

1.2.3 Обеспечение секретности абонента

Для исключения определения (идентификации) абонента путем перехвата сообщений, передаваемых по радиоканалу, каждому абоненту системы связи присваивается «временное удостоверение личности» -- временный международный идентификационный номер пользователя (TMSI -- Temporary Mobile Subscriber Identify), который действителен только в пределах зоны расположения (LA). В другой зоне расположения ему присваивается новый TMSI. Если абоненту еще не присвоен временный номер (например, при первом включении АС), то идентификация проводится через международный идентификационный номер (TMSI). После окончания процедуры аутентификации и начала режима шифрования временный идентификационный номер TMSI передается на АС только в зашифрованном виде. Этот TMSI будет использоваться при всех последующих доступах к системе. Если АС переходит в новую область расположения, то ее TMSI должен передаваться вместе с идентификационным номером зоны (LAI), в которой TMSI был присвоен абоненту.

1.3 Технология ближней беспроводной радиосвязи bluetooth

Технология Bluetooth получила свое название в честь датского короля X-го века Гаральда II Блатана. В переводе с датского «Блатан» -- Синий Зуб, соответственно в английском варианте -- Bluetooth. Этот король прославился своей способностью находить общий язык с князьями-вассалами и в свое время объединил Данию и Норвегию. Через 1000 лет его имя предложила в качестве названия для новой технологии шведская компания Ericsson, которая выступила инициатором проекта Bluetooth. Bluetooth _ технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом любые устройства, в которых имеется встроенный микрочип Bluetooth. Наиболее активно технология применяется для подключения к мобильным телефонам всевозможных внешних устройств: беспроводных гарнитур handsfree, беспроводных модемом, приемников спутниковой навигации, и собственно для подключения к персональному компьютеру.

Bluetooth может общаться с несколькими (до семи) устройствами Bluetooth: одно устройство при этом будет активным, а остальные находятся в режиме ожидания. Радиоволны, которые используются в Bluetooth, могут проходить через стены и неметаллические барьеры и соединяться с Bluetooth-устройствами на расстоянии от 10 до 100 метров в зависимости от спецификации устройства. Для спецификации 1.1 класс 1 радиус действия составляет до 100 метров, для класса 2 (применяемого в мобильных телефонах) _ до 10 - м. Так как во всем мире Bluetooth работает на не лицензируемой и единой частоте промышленного, научного и медицинского применения ISM 2,45 ГГц, то пространственных границ для использования Bluetooth не существует. Как не существует и проблемы несовместимости Bluetooth-устройств различных производителей, поскольку технология стандартизирована. Так что никаких препятствий для распространения Bluetooth нет.

Каждое Bluetooth _ устройство имеет свой уникальный адрес и имя, поэтому после процедуры регистрации соединяется только с зарегистрированным с ним телефоном. Для настройки необходимо зарядить гарнитуру, включить оба устройства (телефон и гарнитуру) и поместить поблизости друг от друга.

После запуска процедуры поиска гарнитуры на дисплее телефона высветится ее спецификация и будет запрошен пароль (обычно требуется ввести пароль 0000). После его введения гарнитура считается зарегистрированной за вашим телефоном. Однако при всех плюсах Bluetooth, есть у него 3 огромных минуса: невысокая дальность действия, низкая (в сравнении с тем же Wi-Fi) скорость и огромное количество мелких и не очень «ошибок». И если с первыми двумя недостатками можно мириться или бороться, то количество недоработок заставляет поразиться любого, даже далёкого от высоких технологий человека.

Радиоизлучение Bluetooth может создавать помехи для различных технических устройств, поэтому в больницах и в местах, где используются слуховые аппараты и кардиостимуляторы следует его отключать.

1.3.1 Спецификации Bluetooth

Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B, имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи. И делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и, было основным недостатком данной спецификации.

Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.

Главные улучшения включают следующее:

быстрое подключение и обнаружение;

адаптивная перестройки частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам;

более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 721 кбит/с;

расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудио потоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных.

Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка EDR (Enhanced Data Rate) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако, на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных. Стандартная (или Базовая) скорость передачи данных использует Гауссово Кодирование со сдвигом частот (GFSK) модуляцию радиосигнала, при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание GFSK и PSK-модуляцию с двумя вариантами, р/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху 2 и 3 Mбит/с соответственно. Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере, одно коммерческое устройство, HTC TyTNPocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях. Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:

увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых случаях;

уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания;

более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 3.0 + HS спецификация была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Асимметричная Мультипроцессорная Обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие _ по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0 пропускная способность осталась на уровне Bluetooth 3.0 со значением 24 Мбит/с, но дальность действия повысилась до 100 метров.

Одновременно с этим произошло снижение энергопотребления, что позволяет использовать технологию в устройствах на батарейках. Разработка также поддерживает шифрование AES-128 и предоставляет еще более низкое время отклика, повышая безопасность и становясь более удобной для пользователей.

1.3.2 Инициализация соединения Bluetooth

Инициализацией, касательно Bluetooth, принято называть процесс установки связи. Её можно разделить на три этапа:

генерация ключа Kinit;

генерация ключа связи (он носит название linkkey и обозначается, как Kab);

аутентификация.

Первые два пункта входят в так называемую процедуру паринга. Паринг (PAIRING) - или сопряжение -процесс связи двух (или более) устройств с целью создания единой секретной величины Kinit, которую они будут в дальнейшем использовать при общении. В некоторых переводах официальных документов по Bluetooth можно также встретить термин «подгонка пары». Перед началом процедуры сопряжения на обеих сторонах необходимо ввести PIN-код. Обычная ситуация: два человека хотят связать свои телефоны и заранее договариваются о PIN-коде. Далее соединяющиеся устройства будут обозначаться A и B, более того, одно из устройств при сопряжении становится главным (Master), а второе _ ведомым (Slave). Будем считать устройство A главным, а B _ ведомым. Создание ключа Kinit начинается сразу после того, как были введены PIN-коды.

Kinit формируется по алгоритму E22, который оперирует следующими величинами:

BD_ADDR _ уникальный адрес BT-устройства. Длина 48 бит (аналог MAC-адреса сетевой карты PC);

PIN-код и его длина;

IN_RAND. Случайная 128-битная величина.

На выходе E22 алгоритма получаем 128-битное слово, именуемое Kinit. Число IN_RAND отсылается устройством A в чистом виде. В случае если PIN неизменяем для этого устройства, то при формировании Kinit используется BD_ADDR, полученное от другого устройства. В случае если у обоих устройств изменяемые PIN-коды, будет использован BD_ADDR(B) _ адрес slave-устройства. Первый шаг сопряжения пройден. За ним следует создание Kab. После его формирования Kinit исключается из использования.

Для создания ключа связи Kab устройства обмениваются 128-битными словами LK_RAND(A) и LK_RAND(B), генерируемыми случайным образом. Далее следует побитовый XOR с ключом инициализации Kinit. И снова обмен полученным значением. Затем следует вычисление ключа по алгоритму E21.Для этого необходимы величины:

128-битный LK_RAND (каждое устройство хранит своё и полученное от другого устройства значение). Алгоритм Е21 представлен на рис. 3.1.

На данном этапе pairing заканчивается и начинается последний этап инициализации Вluetooth _ Mutual authentication или взаимная аутентификация. Основана она на схеме «запрос-ответ». Одно из устройств становится верификатором, генерирует случайную величину AU_RAND(A) и засылает его соседнему устройству (в plaintext), называемому предъявителем (claimant в оригинальной документации).

Рисунок 1.3.1 - Вычисление ключа по алгоритму Е21

Как только предъявитель получает это «слово», начинается вычисление величины SRES по алгоритму E1, и она отправляется верификатору. Соседнее устройство производит аналогичные вычисления и проверяет ответ предъявителя. Если SRES совпали, то, значит, всё хорошо, и теперь устройства меняются ролями, таким образом, процесс повторяется заново.E1-алгоритм представлен на рис. 3.2 и оперирует такими величинами:

случайно созданное AU_RAND;

свой собственный BD_ADDR.

1.3.3 Механизмы безопасности Bluetooth

Спецификация BT основана на модели обеспечения безопасности, предусматривающей три механизма: аутентификация (опознавание), авторизация (разрешение доступа) и шифрование (кодирование). Суть опознавания состоит в том, чтобы удостовериться, является ли устройство, инициирующее сеанс связи, тем, за кого оно себя выдает.

Рисунок 1.3.2 - Алгоритм Е1

Основан это процесс на посылке 48-битового идентификатора Bluetooth Device Address (BDA) (он присваивается каждому устройству его производителем). Результатом обычно является “предварительная” договоренность устройств (создается временный или инициализационный ключ связи) либо отказ в установлении связи. О какой-либо безопасности здесь говорить нечего, BDA всегда передается в открытом виде, и любой владелец антенны с хорошей чувствительностью может “видеть” работающих BT-пользователей и даже опознавать их по этому идентификатору. Так что уникальность BDA _ понятие весьма скользкое.

Процесс авторизации подразумевает установление полномочий для подключаемого устройства, причем возможен выбор одного из трех допустимых уровней доступа: trusted (неограниченный доступ к ресурсам), non-trusted (нет доступа к ресурсам, но есть возможность его открытия) и unknown (неизвестное устройство, доступ запрещен при любых обстоятельствах).

Установленный уровень доступа соответствует уровню доверия к соответствующему устройству и может варьироваться. В любом BT-устройстве есть сервис менеджера безопасности (составная часть протокола), который позволяет устанавливать эти уровни не только для конкретных устройств, но и для видов обслуживания или групп сервисов. Так, например, здесь можно установить, что передача файлов может осуществляться только после аутентификации и авторизации.

Шифрование. Осуществляется при помощи ключа (длина его варьируется от 8 до 128 бит), который, в свою очередь, генерируется на основе 128-битового ключа аутентификации. Другими словами, расшифровывающий ключ основан на ключе связи; с одной стороны, это упрощает процесс генерации ключа, но в то же время упрощает и процесс взлома системы. К тому же при аутентификации код может быть введен вручную либо автоматически предоставлен процессом прикладного уровня. Критическим случаем можно считать обнуление этого кода самим пользователем (это означает, что разрешено подключение любого устройства), что резко снижает эффективность системы безопасности.

Все перечисленные механизмы являются встроенными, следовательно они предназначены для аутентификации самих BT-устройств, а не пользователей. Поэтому для некоторых устройств, например для чипов идентификации пользователя, должна быть предусмотрена комплексная защита (дополнительный пароль, использование смарт-карт и т.п.). Не случайно некоторые модели сотовых телефонов, карманных компьютеров и ноутбуков, ориентированные на корпоративный сектор, оснащаются биометрической защитой. Устройства могут быть потеряны или украдены, и еще одно лишнее звено в цепи безопасности только улучшает общую защищенность системы.

1.4. Выводы по разделу

В заключении, Wi-Fi- это современная технология беспроводной связи, которая является мобильной и практичной, но ее защищенность оставляет желать лучшего.

Из вышесказанного можно заключить, что WEP - устаревший протокол защиты беспроводного соединения. Рекомендуется не использовать WEP, если циркулирующая информация в сети имеет коммерческую важность.

Говоря о протоколе WPA, пришедшему на замену WEP протоколу, следует сказать, что его плюсами являются усиленная безопасность данных и усиленный контроль доступа к беспроводным сетям. Но в практическом примере реализации атаки на протокол WPA видно, что протокол WPA, так же, как и WEP, имеет ряд недостатков. Для безопасного использования протокола WPA необходимо при выборе пароля использовать слова, не имеющие смысла (axdrtyh5nuo275bgdds - случайную или псевдослучайную последовательность символов), используя такие слова, вероятность успешного выполнения словарной атаки сводится к нулю.

Для создания надёжной системы безопасности беспроводных сетей разработано немало методов. К примеру, самым надёжным способом считается использование виртуальных частных сетей VPN (Virtual Private Network). Создание беспроводной виртуальной частной сети предполагает установку шлюза непосредственно перед точкой доступа и установку VPN-клиентов на рабочих станциях пользователей сети. Путём администрирования виртуальной частной сети осуществляется настройка виртуального закрытого соединения (VPN-туннеля) между шлюзом и каждым VPN-клиентом сети. Впрочем, VPN-сети редко используются в небольших офисных сетях и практически не используются в домашних условиях. Как и стандарт 802.1x, VPN-сети - прерогатива корпоративных сетей.

Комплекс мероприятий по защите устройств Bluetooth тривиален. Стоит отключать функцию обнаружения устройства и включать ее только при необходимости сопряжения с новым устройством. В некоторых телефонах это реализовано следующим образом: функция обнаружения активизируется только на 60 секунд, после чего автоматически отключается. Эта контрмера не является абсолютной защитой, но достаточно эффективна в большинстве случаев. На более интеллектуальных, чем сотовые телефоны, устройствах, как правило, имеется возможность настройки предоставляемых сервисов. Стоит отключать те из них, которые не используются на данном конкретном устройстве.

Для тех сервисов, которые активно используются, необходимо требовать использования режима 3 (Mode 3) и, возможно, дополнительной авторизации. Что касается процесса сопряжения, его желательно проводить только с доверенными устройствами в приватных местах. Периодически нужно проверять список сопряженных устройств на предмет наличия незнакомых записей и удалять те записи, которые не узнали с первого раза. Не забывать про управление обновлениями безопасности. Патчи выходят не только для Windows, но и для сотовых телефонов и КПК. Следует отключить функцию ответов на широковещательное сканирование.

Как можно заметить, многие уязвимости присущи любым устройствам, однако не стоит волноваться по этому поводу. На это есть 2 причины:

первая - радиус действия Вluetooth слишком мал, соответственно для атаки необходимо быть в зоне прямой видимости;

вторая - все устройства позволяют включить защиту Вluetooth или по крайней мере стать «невидимым» для остальных.

Проведен обзор технологии сотовой подвижной связи GSM. Определена структура СПС и рассмотрены механизмы информационной безопасности, реализованные в стандарте GSM. Проведен анализ реализованных механизмов ИБ и представлен прогноз перспектив развития механизмов обеспечения ИБ в сетях 3G. Проведен анализ существующих угроз ИБ и уязвимостей в сетях СПС.

По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что сети СПС технологии GSM представляют собой интегрированную структуру и включают в себя механизмы обеспечения ИБ абонентов сети. При этом, как было отмечено, технологии связи, применяемые в сетях СПС, продолжают развиваться, в том числе и механизмы обеспечения ИБ. Однако, как показал анализ угроз и уязвимостей сетей СПС GSM, их безопасность может быть нарушена.

В целом реализация атак на GSM требует огромных денежных средств. Определяется количеством от нескольких сотен тысяч долларов до миллионов, необходим широкий штат сотрудников, поддержка силовых структур. Если же у нарушителя будет стоять задача на некоторое время заглушить мобильную связь в определенном месте, будь то здание, офисное помещение, особого труда и денежных затрат такая операция не потребует. Оборудование на такую операцию стоит от нескольких сотен долларов до пару тысяч.

Все эксперты в области защиты информации сходятся во мнении, что разработка мер безопасности для широко используемых систем втайне от общественности это в корне порочный путь. Единственный способ гарантировать надежную безопасность это дать возможность проанализировать систему всему сообществу специалистов.

2. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ БЕЗПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ

Скорость беспроводной сети зависит от нескольких факторов.

Производительность беспроводных локальных сетей определяется тем, какой стандарт Wi-Fi они поддерживают. Максимальную пропускную способность могут предложить сети, поддерживающие стандарт 802.11n - до 600 Мбит/сек (при использовании MIMO). Пропускная способность сетей, поддерживающих стандарт 802.11a или 802.11g, может составить до 54 Мбит/сек. (Сравните со стандартными проводными сетями Ethernet, пропускная способность которых составляет 100 или 1000 Мбит/сек.)

На практике, даже при максимально возможном уровне сигнала производительность Wi-Fi сетей никогда не достигает указанного выше теоретического максимума. Например, скорость сетей, поддерживающих стандарт 802.11b, обычно составляет не более 50% их теоретического максимума, т. е. приблизительно 5.5 Мбит/сек. Соответственно, скорость сетей, поддерживающих стандарт 802.11a или 802.11g, обычно составляет не более 20 Мбит/сек. Причинами несоответствия теории и практики являются избыточность кодирования протокола, помехи в сигнале, а также изменение расстояния Хемминга с изменением расстояния между приемником и передатчиком. Кроме того, чем больше устройств в сети одновременно участвуют в обмене данными, тем пропорционально ниже пропускная способность сети в расчёте на каждое устройство, что естественным образом ограничивает количество устройств, которое имеет смысл подключать к одной точке доступа или роутеру (другое ограничение может быть вызвано особенностями работы встроенного DHCP-сервера, у устройств из нашего ассортимента итоговая цифра находилась в диапазоне от 26 до 255 устройств).

Ряд производителей выпустили устройства, с поддержкой фирменных расширений протоколов 802.11b и 802.11g, с теоретической максимальной скоростью работы 22Мбит/сек и 108Мбит/сек соответственно, однако радикальной прибавки в скорости по сравнению с работой на стандартных протоколах в данный момент от них не наблюдается.

Кроме того, скорость работы любой пары устройств существенно падает с уменьшением уровня сигнала, поэтому зачастую наиболее эффективным средством поднятия скорости для удалённых устройств является применение антенн с большим коэффициентом усиления.

Эфир -- и, соответственно, радиоканал -- в качестве среды передачи существует лишь в единственном экземпляре и ведет себя так же, как раньше концентратор в сети Ethernet: при попытке передачи данных несколькими сторонами одновременно сигналы мешают друг другу. Поэтому стандартами WLAN предусматривается, что перед передачей станция проверяет, свободна ли среда. Однако это отнюдь не исключает ситуацию, когда две станции одновременно идентифицируют среду как свободную и начинают передачу. В «разделяемом» Ethernet соответствующий эффект называется коллизией.

В проводной сети отправители могут распознать коллизии уже в процессе передачи, прервать ее и повторить попытку после случайного интервала времени. Однако в радиосети таких мер недостаточно. Поэтому 802.11 вводит «пакет подтверждения» (ACK), который получатель передает обратно отправителю; на эту процедуру отводится дополнительное время ожидания. Если сложить все предусмотренные протоколом периоды ожидания -- короткие межкадровые интервалы (Short Inter Frame Space,

SIFS) и распределенные межкадровые интервалы функции распределенной координации (Distributed Coordination Function Inter Frame Space, DIFS) для беспроводной сети стандарта 802.11а, то накладные расходы составляют 50 мкс на пакет (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Если станция WLAN собирается начать передачу и находит среду занятой, то ей придется подождать некоторое время. Доступ к среде регулируется при помощи «межкадровых интервалов» разной длины (DIFS и SIFS)

Помимо этого, при вычислении издержек следует учесть, что каждый пакет данных содержит не только полезные данные, но и необходимые заголовки для многих протокольных уровней (см. Рисунок 2). В случае пакета длиной 1500 байт, передаваемого по стандарту 802.11 со скоростью 54 Мбит/с, появляются «лишние» 64 байт с издержками в 20 мкс. Пакет АСК обрабатывается физическим уровнем так же, как и пакет данных, в нем отсутствуют лишь части от порядкового номера до контрольной суммы. Вдобавок заголовок укорочен, поэтому для пакета АСК необходимо всего 24 мкс.

В общей сложности передача 1500 байт полезной нагрузки со скоростью 54 Мбит/с занимает 325 мкс, поэтому фактическая скорость передачи составляет 37 Мбит/с.

С учетом издержек на ТСР/IP (еще 40 байт на пакет, пакеты подтверждения TCP) и повторов из-за сбоев в передаче достигаемая на практике скорость будет равна 25 Мбит/с -- такое же соотношение значений номинальной/фактической скоростей получается и при использовании 802.11b (от 5 до 6 при 11 Мбит/с).

Для 802.11g, наследника 11b, принцип работы которого мало чем отличается от 802.11а, требование обратной совместимости с IEEE 802.11b может привести к тому, что скорость передачи окажется еще меньше. Проблема возникает, когда в диалог двух станций 11g может вмешаться карта 802.11b: последняя не способна распознать, что среда в данный момент занята, поскольку в 802.11g используется отличный от 11b метод модуляции.

3. АЛГОРИТМЫ В БЕЗПРОВОДНЫХ СЕТЯХ

беспроводная сеть bluetooth

В данной работе предлагается оптимизированный вариант - алгоритм альтернативной маршрутизации, разработанный на основе существующих решений. Он использует принципы построения кратчайших путей, которые применяются в алгоритмах Дейкстри и Беллмана-Форда, и методы определения средней задержки, традиционные для сетей с пакетной коммутацией.

Разработанный для ретрансляторов алгоритм альтернативной маршрутизации основан на минимизации средней задержки на всех кратчайших маршрутах, причем определение задержек на участках включает анализ статических характеристик сети (топологии и пропускных способностей каналов связи) и характера передаваемого трафика (учет оптимальных показателей задержек для разных видов трафика).

В алгоритме предусмотрены механизмы анализа пропускных способностей каналов связи с точки зрения их оптимальности, расчет оптимального веса путей на основании этой информации и минимизации функции задержки у сети на основании анализа потока по маршрутам, при котором размер задержки мог бы соответствовать общепринятым характеристикам передачи определенных видов трафика.

Алгоритм использует принципы построения кратчайших путей, которые используются в алгоритмах Дейкстры и Беллмана-Форда, и способы определения средней задержки, традиционные для сетей с пакетною коммутацией. Функциональная блок-схема алгоритма приведена на рисунке и включает следующие составляющие:

1. Блок определения оптимальных пропускных способностей - анализирует базовую топологию сети и определяет оптимальность пропускных способностей. На основании полученных данных подсчитывает вес каналов связки сети для дальнейшего анализа.

2. Блок анализа среднего времени задержки - отвечает за расчет среднего времени задержки в сети на основании оптимальных пропускных способностей и начальных потоков в сети.

3. Блок определения маршрутов - отвечает за построение кратчайших маршрутов между всеми узлами сети.

4. Блок построения допустимого потока - обеспечивает распределение потоков по кратчайшим путям.

5. Блок минимизации средней задержки - обеспечивает расчет девиации потоку на основе минимизированной функции значения средней задержки в сети.

6. Тело алгоритма - объединяет работу каждого из блоков и обеспечивает последовательное функционирование алгоритма.

Рисунок - блок-схема алгоритма

Сформулируем задачи, которые должны быть решены с помощью спроектированного алгоритма:

наиболее рациональное использование каналов для решения задачи используются следующие приемы:

а) анализ пропускных способностей каналов связи в сети и расчет оптимальных меток;

б) использование альтернативных маршрутов;

в) распределение трафика между альтернативными маршрутами исходя не из соотношения суммарных метрик маршрутов, а из соотношения максимальных метрик каналов данного маршрута;

г) выбор доступных для использования альтернативных маршрутов только по критерию максимального времени передачи (маршрут может быть принят к использованию, если время передачи по маршруту не превышает установленного для данного типа трафика максимально допустимого).

2) соблюдение требований к параметрам сетевой передачи.

а) минимизация задержки передачи сообщений в сетях сложной топологии;

б)минимизация СКВ задержки.

Сделаем оценку оптимальности функционирования по алгоритму.

Введем обозначения:

где і - номер пары узел-адресат - узел-получатель; первая формула - поток пакетов, которые поступают в і-ый канал; вторая - поток пакетов, поступающих из узла в сеть.

Нагрузку і-ого канала пакетами считаем по следующей формуле:

где первый множитель - средняя длина пакета, Di - пропускная способность

і-ого канала.

Среднее количество пакетов в і-ом канале составляет:

Учитывая общее количество узлов в сети, среднее количество пакетов у сети в целом составляет:

В соответствии с формулой Литтла

где Т - средняя задержка в сети. Таким образом, получаем формулу

Клейнрока для анализа средней задержки в сети:

Полученная формула для оценки времени задержки эффективно используется для решения различных оптимизационных задач. К таким задачам относят оптимизацию пропускной способности каналов и выбор маршрутов передачи сообщений.

4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Предположим, что имеется некоторое количество видео-файлов, объем которых не превышает 10 Гигабайт. Эти файлы нужно передать абоненту на расстояние, на котором сигнал способен передаваться на максимально допустимой скорости. Из предлагаемых сетей 3G, LTE, VANet, WiMax необходимо выбрать оптимальную беспроводную сеть для передачи видеоконтента на расстояние, которое задает пользователь.

Специфика использования радиоэфира в качестве среды передачи данных накладывает свои ограничения на топологию сети. Если сравнивать ее с топологией проводной сети, то наиболее близкими вариантами оказываются топология "звезда" и комбинированная топология "кольцо" и "общая шина". Следует упомянуть, что развитие беспроводных сетей, как и многое другое, проходит под неусыпным контролем соответствующих организаций. И са мой главной среди них является Институт инженеров электротехники и элек троники (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE). В частности, беспроводные стандарты, сетевое оборудование и все, что относится к бес проводным сетям, контролирует Рабочая группа по беспроводным локаль ным сетям (Working Group for Wireless Local Area Networks, WLAN), в состав которой входят более 100 представителей из разных университетов и фирм- разработчиков сетевого оборудования. Эта комиссия собирается несколько раз в год с целью совершенствования существующих стандартов и создания новых, базирующихся на последних исследованиях и компьютерных дости жениях.

В России также организована ассоциация БЕспроводных СЕтей передачи ДАнных ("БЕСЕДА"), которая занимается ведением единой политики в области беспроводных сетей передачи данных. Она же и контролирует развитие рынка беспроводных сетей, предоставляет различные услуги при подключении, создает и развивает новые центры беспроводного доступа и т. д. Теперь что касается непосредственно топологии беспроводных сетей. На сегодняшний день используют два варианта беспроводной архитектуры или, проще говоря, варианта построения сети: независимая\ конфигурация (Ad-Hoc) и инфраструктурная конфигурация. Отличия между ними незначительные, однако они кардинально влияют на такие показатели, как количество подключаемых пользователей, радиус сети, помехоустойчивость и т. д.

НЕЗАВИСИМАЯ КОНФИГУРАЦИЯ

Режим независимой конфигурации (рис. 9.1), часто еще называемый "точка-точка", или независимый базовый набор служб (Independent Basic Service Set, IBSS), - самый простой в применении. Соответственно такая беспроводная сеть является самой простой в построении и настройке.

Чтобы объединить компьютеры в беспроводную сеть, достаточно, чтобы каж-дый из них имел адаптер беспроводной _связи. Как правило, такими адаптерами изначально оснащают переносные компьютеры, что вообще сводит построение сети только к настройке доступа к ней. Обычно такой способ организации используют, если сеть строится хаотично или временно, а также если другой способ построения не подходит по каким-либо причинам. Режим независимой конфигурации, хоть и прост в построении, имеет некоторые недостатки, главными из которых являются малый радиус действия сети и низкая помехоустойчивость, что накладывает ограничения на расположение компьютеров сети. Кроме того, если нужно подключиться к внешней сети или к Интернету, то сделать это будет непросто.

ИНФРАСТРУКТУРНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ

Инфраструктурная конфигурация, или, как ее еще часто называют, режим "клиент/сервер", - более перспективный и быстроразвивающийся вариант беспроводной сети.

Подобные документы

Эволюция беспроводных сетей. Описание нескольких ведущих сетевых технологий. Их достоинства и проблемы. Классификация беспроводных средств связи по дальности действия. Наиболее распространенные беспроводные сети передачи данных, их принцип действия.

реферат , добавлен 14.10.2014


Что такое ТСР? Принцип построения транкинговых сетей. Услуги сетей тракинговой связи. Технология Bluetooth - как способ беспроводной передачи информации. Некоторые аспекты практического применения технологии Bluetooth. Анализ беспроводных технологий.

курсовая работа , добавлен 24.12.2006


Характеристика и разновидности беспроводных сетей, их назначение. Описание технологии беспроводного доступа в интернет Wi-Fi, протоколы безопасности. Стандарты связи GSM, механизмы аутентификации. Технология ближней беспроводной радиосвязи Вluetooth.

курсовая работа , добавлен 31.03.2013


Понятие беспроводной связи, организация доступа к сети связи, к интернету. Классификация беспроводных сетей: спутниковые сотовые модемы, инфракрасные каналы, радиорелейная связь, Bluetooth. WI-FI - технология передачи данных по радиоканалу, преимущества.

реферат , добавлен 06.06.2012


Общие понятия о беспроводных локальных сетях, изучение их характеристик и основных классификаций. Применение беспроводных линий связи. Преимущества беспроводных коммуникаций. Диапазоны электромагнитного спектра, распространение электромагнитных волн.

курсовая работа , добавлен 18.06.2014


Изучение особенностей беспроводных сетей, предоставление услуг связи вне зависимости от места и времени. Процесс использования оптического спектра широкого диапазона как среды для передачи информации в закрытых беспроводных коммуникационных системах.

статья , добавлен 28.01.2016


История появления сотовой связи, ее принцип действия и функции. Принцип работы Wi-Fi - торговой марки Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Функциональная схема сети сотовой подвижной связи. Преимущества и недостатки сети.

реферат , добавлен 15.05.2015


Протокол беспроводной передачи данных, помогающий соединить n-ное количество компьютеров в сеть. История создания первого Wi-Fi. Стандарты беспроводных сетей, их характеристики, преимущества, недостатки. Использование Wi-Fi в промышленности и быту.

реферат , добавлен 29.04.2011


Знакомство с современными цифровыми телекоммуникационными системами. Принципы работы беспроводных сетей абонентского радиодоступа. Особенности управления доступом IEEE 802.11. Анализ электромагнитной совместимости группировки беспроводных локальных сетей.

дипломная работа , добавлен 15.06.2011


Исследование обычной схемы Wi-Fi сети. Изучение особенностей подключения двух клиентов и их соединения. Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных. Описания высокоскоростных стандартов беспроводных сетей. Пространственное разделение потоков.

Занятие № 26. “Технологии построения беспроводных сетей передачи данных”

1. Общая характеристика технологии построения беспроводных локальных сетей передачи данных

Все многообразие существующих беспроводных стандартов достаточно четко структурировано по шкале расстояний и скорости передачи данных рис.1.

Рис. 1 Шкала расстояний и скорости передачи данных

Персональные сети беспроводного доступа – WPAN.

На сегодняшний день их всего два: существующий Bluetooth (802.15.1) и UWB, другое название WirelessUSB (802.15.3а). Оба рассчитаны на передачу данных на расстояние до 10 м, только Bluetooth работает на частоте 2,4 ГГц, a UWB – на частоте 7,5 ГГц. Скорость передачи данных по Bluetooth: достигает 720 кбит/с, на практике меньше. Стандарт UWB должен обеспечивать скорость передачи данных до 110 Мбит/с на расстоянии 10 м и до 480 Мбит/с на расстоянии 3 м от источника сигнала.

Беспроводные локальные сети – WLAN.

Три стандарта 802.11а, 802.11b и 802.11g, работающие на расстояние до 100 м. Различие между 802.11b и 802.11g касается скорости передачи данных: 11 Мбит/с - 802.11b и 54 Мбит/с - 802.11g. А 802.11а и 802.11g различаются только по частоте: 802.11а - 5 ГГц; 802.11g - 2,4 ГГц. В США устройства Wi-Fi могут работать в диапазоне 5 ГГц, а в Европе и России существуют серьезные ограничения, препятствующие распространению 802.11а.

Технологии для сетей WPAN и WLAN известны также под профессиональным жаргонным названием Wi-Fi. Термин Wi-Fi (Wireless Fidelity) в стандартах явно не прописан, поэтому в различной литературе можно встретить различные, иногда прямо противоречивые суждения относительно технологий и аппаратуры, которые он объединяет.

Стандарт 802.11, подразумевает возможность работы в двух режимах: с базовой станцией (точкой доступа) и без нее, когда несколько людей создают беспроводную локальную сеть, объединяя в нее свои ноутбуки, находясь в

помещении, в котором отсутствует базовая станция. Оба режима показаны на рис.2.

а б Рис.2. Беспроводная сеть с базовой станцией (а); специальная сеть (б)

Стандартом IEEE 802.11 предусмотрено использование частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц, который предназначен для безлицензионного использования в промышленности, науке и медицине, что значительно упрощает правовую сторону построения сети. Стандарт IEEE 802.11, предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с, а в стандарте IEEE 802.11b за счет более сложных методов модуляции были добавлены более высокие скорость передачи - 5,5 и 11 Мбит/с.

Стандарт 802.11g является развитием 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. По способу кодирования 802.11g является, гибридным, заимствуя все лучшее из стандартов 802.11b и 802.11a. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с (как и в стандарте 802.11a), поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.

2. Технологии расширения спектра, используемые методы модуляции и кодирования

На физическом уровне стандартом IEEE 802.11 предусмотрены ИК-канал и два типа радиоканалов - DSSS и FHSS использующих частотный диапазон от 2,4 до 2,4835 ГГц, предназначенный для безлицензионного использования в промышленности,

науке и медицине (Industry, Science and Medicine, ISM).

Радиоканалы используют технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS) заключающиеся в том, чтобы от узкополосного спектра сигнала, возникающего при обычном потенциальном кодировании, перейти к широкополосному спектру, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Расширение спектра частот передаваемых цифровых сообщений может осуществляться двумя методами.

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - передача широкополосных сигналов по методу частотных скачков) используются 79 каналов шириной 1 МГц каждый. Для определения последовательностей скачков частот используется генератор псевдослучайных чисел. Поскольку при этом для всех станций используется один и тот же генератор, они синхронизированы во времени и одновременно осуществляют одинаковые частотные скачки. Период времени, в течение которого станция работает на определенной частоте, называется временем пребывания. Это настраиваемая величина, но она должна быть не более 400 мс. Кроме того, постоянная смена частот - это неплохой (хотя, конечно, недостаточный) способ защиты информации от несанкционированного прослушивания, поскольку незваный слушатель, не зная последовательности частотных переходов и времени пребывания, не сможет подслушать передаваемые данные. При

связи на длинных дистанциях может возникать проблема многолучевого затухания, и FHSS может оказаться хорошим подспорьем в борьбе с ней. Главный недостаток FHSS – это низкая пропускная способность.

DSSS напоминает систему CDMA, однако имеет и некоторые отличия. Каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются последовательностью Баркера.

Информационный бит, представляемый прямоугольным импульсом, разбивается на последовательность более мелких импульсов-чипов. В результате спектр сигнала значительно расширяется, поскольку ширину спектра можно с достаточной степенью точности считать обратно пропорциональной длительности одного чипа. Такие кодовые последовательности часто называют шумоподобными кодами. Наряду с расширением спектра сигнала, уменьшается и спектральная плотность энергии, так что энергия сигнала как бы размазывается по всему спектру, а результирующий сигнал становится шумоподобным в том смысле, что его теперь трудно отличить от естественного шума.

Кодовые последовательности обладают свойством автокорреляции, степень подобия функции самой себе в различные моменты времени. Коды Баркера обладают наилучшими среди известных псевдослучайных последовательностей свойствами (рис. 3). Для передачи единичного и нулевого символов сообщения используются, соответственно, прямая и инверсная последовательности Баркера.

Рис. 3. Изменение спектра сигнала при добавлении шумоподобного кода.

В приѐмнике полученный сигнал умножается на код Баркера (вычисляется корреляционная функция сигнала), в результате чего он становится узкополосным, поэтому его фильтруют в узкой полосе частот, равной удвоенной скорости передачи. Любая помеха, попадающая в полосу исходного широкополосного сигнала, после умножения на код Баркера, наоборот, становится широкополосной, а в узкую информационную полосу попадает лишь часть помехи, по мощности примерно в 11 раз меньшая, чем помеха, действующая на входе приѐмника.

В стандарте IEEE 802.11 для передачи сигналов используют различные виды фазовой модуляции:

фазовую модуляцию (Phase Shift Key, PSK);

квадратурную фазовую модуляцию (Quadrature Phase Shift Key, QPSK),. относительную фазовую модуляцию (Differential Phase Shift Keying, DPSK).

Вместо шумоподобных последовательностей Баркера для расширения спектра могут использоваться комплементарные коды (Complementary Code Keying, CCK).

Используемые комплементарные 8-чиповые комплексные последовательности

(CCK-последовательности) образуются по следующей формуле:

{ e j(φ +φ +φ +φ), e j(φ +φ +φ), e j(φ +φ +φ), -e j(φ +φ), e j(φ +φ +φ), e j(φ +φ), -e j(φ +φ), e jφ}

1 2 3 4 1 3 4 1 2 4 1 4 1 2 3 1 3 1 2 1

Значения фаз определяются последовательностью входных битов, причѐм значение φ 1 выбирается по первому дибиту,φ 2 - по второму,φ 3 - по третьему иφ 4 - по четвѐртому.

В стандарте 802.11а используется принципиально иной метод кодирования данных, который состоит в том, что поток передаваемых данных распределяется по множеству частотных подканалов и передача ведѐтся параллельно на всех этих подканалах. При этом высокая скорость передачи достигается именно за счѐт одновременной передачи данных по всем каналам, а скорость передачи в отдельном подканале может быть и не высокой.

Несущие сигналы всех частотных подканалов (а точнее, функции, описывающие эти сигналы) ортогональны друг другу. С точки зрения математики ортогональность функций означает, что их произведение, усреднѐнное на некотором интервале, должно быть равно нулю. В данном случае это выражается простым соотношением:

где T - период символа,f k ,f l - несущие частоты каналовk иl .

Ортогональность несущих сигналов можно обеспечить в том случае, если за время длительности одного символа несущий сигнал будет совершать целое число колебаний. Примеры нескольких несущих ортогональных колебаний представлены на рис. 4.

Рис. 4. Ортогональные частоты.

Рассмотренный способ деления широкополосного канала на ортогональные частотные подканалы называется ортогональным частотным разделением с мультиплексированием (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM). Для его реализации в передающих устройствах используется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT).

В стандарте 802.11g используются две конкурирующие технологии: метод ортогонального частотного разделения OFDM, заимствованный из стандарта 802.11a,

и метод двоичного пакетного свѐрточного кодирования PBCC, опционально реализованный в стандарте 802.11b. В результате стандарт 802.11g содержит компромиссное решение: в качестве базовых применяются технологии OFDM и CCK, а опционально предусмотрено использование технологии PBCC.

В основе метода PBCC лежит так называемое свѐрточное кодирование со скоростью 1/2. Для восстановления исходной последовательности битов на стороне приѐмника применяется декодер Витерби.

	Скорости передачи, предусмотренные протоколом 802.11g.
	Скорость,	Метод кодирования
		Обязательно		Опционально
		Последовательность Баркера
		Последовательность Баркера

3. Технологии построения беспроводных городских сетей передачи данных

В декабре 2001 года была принята первая версия стандарта IEEE 802.16-2001, который изначально предусматривал рабочую полосу 10-66 ГГц. Данный стандарт описывал организацию широкополосной беспроводной связи с топологией «точкамноготочка» и был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса (WirelessMAN). На физическом уровне стандарт IEEE 802.162001 предполагал использование всего одной несущей частоты, потому этот протокол назвали WirelessMAN-SC (Single Carrier). Организация связи в частотном диапазоне

10-66 ГГц возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала из-за быстрого затухания. Но это позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. Стандарт рекомендовал модуляцию типа QPSK, 16-QAM, 64-QAM и предусматривал скорость передачи информации 32-134 Мбит/с в радиоканалах шириной 20, 25 и 28 МГц на расстоянии 2-5 км.

802.16а-2003 предусмотрено использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. Этот стандарт ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Планировалось, что он станет альтернативой традиционным решениям широкополосного доступа для «последней мили» – кабельным модемам, каналам T1/E1, xDSL и т.п. Кроме того, предполагаюсь, что к базовой сети стандарта 802.16а станут подключиться точки доступа стандарта 802.11b/g/a для формирования глобальной сети беспроводного доступа в Интернет.

Отличие стандарта 802.16а работа в частотном диапазоне, который не требует прямой видимости между приемником и передатчиком. Зона покрытия таких беспроводных сетей значительно шире, чем сетей стандарта 802.16. Использование частотного диапазона 2-11 ГГц потребовало и существенного пересмотра техники кодирования и модуляции сигнала на физическом уровне. Система на базе 802.16а должна была работать с модуляцией QPSK, 16-, 64- и 256-QAM, обеспечивать скорость передачи информации 1-75 Мбит/с на сектор одной базовой станции в радиоканалах с изменяемой полосой пропускания от 1,5 до 20 МГц на расстоянии 6-9 км (теоретически до 50 км). Типовая базовая станция имела до шести секторов.

Был сохранен режим работы на одной несущей (SCa), предназначенный как для условий прямой видимости, так и вне ее. Предусматривались режимы на основе технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM) с 256 поднесущими и режим с технологией многостанционного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple

Access) с 2048 поднесущими.

Стандарт IEEE 802.16-2004 объединил все нововведения но, с полной совместимостью всех режимов мультиплексирования SC, SCa, OFDM и OFDMA, разной ширины радиоканалов, а также FDD, TDD и других требований возникли сложности, поэтому оборудование каждого производителя так и осталось уникальным.

Профили WiMAX

		Фиксированны			Эволюционный		Мобильный WiMAX
Стандарт							IEEE 802.16e-2005
радиоинтерфейса
Мультиплексирование
Номинальное
поднесущих
Дуплексный режим
Модуляция							QPSK, 16-QAM, 64-QAM
							(в восходящем канале -
					(опционально)		опционально)

Принцип предоставления канальных ресурсов

Основной принцип предоставления доступа к каналу в стандарте IEEE 802.16 –

это доступ по запросу Demand Assigned Multiple Access (DAMA). Ни одна АС не может ничего передавать, кроме запросов на регистрацию и предоставление канала, пока БС не разрешит ей этого. Абонентская станция может как запрашивать определенный размер полосы в канале, так и просить об изменении уже предоставленного ей канального ресурса.

В стандарте IEEE 802.16 используются следующие процедуры преобразования сигналов:

входной поток данных скремблируется; подвергается рандомизации, т. е. умножению на псевдослучайную

последовательность (ПСП), получаемую в 15-разрядном сдвиговом регистре; далее скремблированные данные защищают посредством помехоустойчивых

кодов (FEC-кодирование). При этом можно использовать одну из четырех схем кодирования:

код РидаСоломона с символами из поля Галуа GF(256),

каскадный код с внешним кодом Рида-Соломона и внутренним сверточным кодом с кодовым ограничением К = 7 (скорость кодирования - 2/3) с декодированием по алгоритму Витерби,

каскадный код с внешним кодом Рида - Соломона и внутренним кодом с проверкой на четность (8, 6, 2),

блоковый турбокод; допускается три типа квадратурной амплитудной модуляции: 4-позиционная

QPSK и 16-позиционная 16-QAM (обязательны для всех устройств), а также 64-QAM (опционально);

Поскольку определяемая стандартом IEEE 802.16 система двунаправленная, необходим дуплексный механизм. Он предусматривает как частотное (FDD – frequency division duplex), так и временное (TDD – time division duplex) разделение восходящего и нисходящего каналов.

При временном дуплексировании каналов кадр делится на нисходящий и восходящий субкадры (их соотношение в кадре может гибко изменяться в процессе работы в зависимости от необходимой полосы пропускания для нисходящих и восходящих каналов), разделенные специальным интервалом. При частотном дуплексировании восходящий и нисходящий каналы транслируются каждый на своей несущей.

4. Сети LTE, принцип работы

LTE (Long Term Evolution) - это мобильная технология связи четвертого поколения (4G). Сам термин LTE расшифровывается как «долгосрочная эволюция».

LTE является следующим после 3G поколением мобильной связи и работает на базе IP-технологий. Основное отличие LTE от предшественников – высокая скорость передачи данных. Теоретически она составляет до 326,4 Мбит/с на прием (download) и 172,8 Мбит/с на передачу (upload) информации. При этом в международном стандарте указаны цифры в 173 и 58 Мбит/с, соответственно. Данный стандарт связи четвертого поколения разработало и утвердило Международное партнерское объединение 3GPP.

Система кодирования последнего поколения - OFDM

OFDM расшифровывается как Orthogonal Frequency-division Multiplexing и по-

русски означает ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием. Сигналы OFDM генерируются благодаря применению "Быстрого преобразования Фурье".

Данная технология описывает направление сигнала от базовой станции (БС) к вашему мобильному телефону. Что же касается обратного пути сигнала, т.е. от телефонного аппарата к базовой станции, техническим разработчикам пришлось отказаться от системы OFDM и воспользоваться другой технологией Single-carrier FDMA (переводе означает мультиплексирование на одной несущей). Смысл ее в том, что при сложении большого количества ортогональных поднесущих образуется сигнал с большим отношением амплитуды сигнала к своему среднеквадратичному значению. Для того чтобы такой сигнал мог передаваться без помех необходим высококлассный и довольно дорогой высоколинейный передатчик.

MIMO – Multiple Input Multiple Output – представляет собой технологию передачи данных с помощью N-антенн и приема информации M-антеннами. При этом принимающие и передающие сигнал антенны разнесены между собой на такое расстояние, чтобы получить слабую степень корреляции между соседними антеннами.

На данный момент под сети 4G уже зарезервированы диапазоны частот. Наиболее приоритетными принято считать частоты в районе 2,3 ГГц. Другой перспективный диапазон частот – 2,5 ГГц применяется в США, Европе, Японии и Индии. Имеется еще частотная полоса в районе 2,1 ГГц, но она сравнительно небольшая, большинство европейских мобильных операторов ограничивают в этом диапазоне полосы до 5 МГц. В будущем, скорее всего, наиболее используемым будет частотный диапазон 3,5 ГГц. Это связано с тем, что на данных частотах в большинстве стран уже используются сети беспроводного широкополосного доступа в интернет и благодаря переходу в LTE операторы получат возможность вновь применять свои частоты без необходимости приобретения новых дорогих лицензий. В случае необходимости под сети LTE могут быть выделены и другие диапазоны частот.

Имеется возможность применения как временного разделения сигналов TDD (Time Division Duplex -дуплексный канал с временным разделением), так и частотного - FDD (Frequency Division Duplex - дуплексный канал с частотным разделением).

Зона обслуживания базовой станции сети LTE может быть разной. Обычно она составляет около 5 км, но в ряде случаев она может быть увеличена до 30 и даже 100 км, в случае высокого расположения антенн (секторов) базовой станции.

Другое позитивное отличие LTE – большой выбор терминалов. Помимо сотовых телефонов, в сетях LTE будут использоваться многие другие устройства, такие как ноутбуки, планшетные компьютеры, игровые устройства и видеокамеры, снабженные встроенным модулем поддержки сетей LTE. А так как технология LTE обладает поддержкой хендовера и роуминга с сотовыми сетями предыдущих поколений, все данные устройства смогут работать и в сетях 2G/3G.

Звонок или сеанс передачи данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть передан без разрыва в сеть 3G (WCDMA), CDMA2000 или в