 |
В этой статье вы познакомитесь с наиболее распространенными стандартами на цифровые сети передачи данных.
Сотовые телефонные сети
Любая сотовая сеть состоит из множества базовых станций (БС), которые по сути своей являются мощными стационарными приемопередатчиками, расположенными так, чтобы зоны их покрытия пересекались. Клиентское устройство (сотовый телефон) чаще всего способно работать с несколькими БС одновременно, выбирая ту, от которой оно получает наиболее сильный сигнал. В большинстве случаев такой БС окажется ближайшая, но иногда, если, например, абонент заслонен от нее массивным препятствием, телефон выберет другую, удержав канал связи. Еще одной характерной особенностью сотовых сетей является то, что если движущийся абонент выйдет из зоны покрытия БС (соты), обслуживание его канала автоматически перейдет к той БС, в зону покрытия которой он вошел. При этом абонент ничего не заметит, а обмен данными с его телефоном (голосовой обмен, передача факса или интернет-трафика) не прервется. В целом, такая структура обеспечивает надежную связь на всей обслуживаемой территории.
Сотовые сети первого поколения (1G)
Все сотовые телефонные сети условно делятся на три поколения. Первое, стартовавшее в начале 80-х годов прошлого века, включает в себя стандарты Nordic Mobile Telephone system (NMT), American Mobile Phone System (AMPS) и Total Access Communications System (TACS), работающие в диапазонах 450, 850 и 900 МГц соответственно. Все они описывают аналоговую сотовую связь, которая обеспечивает более естественное, чем в цифровой, звучание принимаемого голоса, но слабую устойчивость к помехам. При этом сети, построенные по данным стандартам, могут передавать только звук (голос), из-за использующегося в них аналогового представления данных и низкой скорости передачи. Кроме того, все сети первого поколения используют частотное разделение каналов Frequency Division Multiple Access (FDMA), которое подразумевает наличие собственной полосы частот для каждой передачи, что приводит, во-первых, к жесткому ограничению числа каналов (количество одновременно говорящих абонентов через одну БС) и к большой ширине занимаемого частотного диапазона, во-вторых.
Сотовые сети второго поколения (2G)
Более новое, второе поколение, состоит из сетей цифровых стандартов: Digital AMPS (D-AMPS), Global System for Mobile Communication (GSM), Code Division Multiple Access (CDMA). Американский стандарт D-AMPS был запущен в 1990 г. с целью увеличить абонентскую емкость существующей сети AMPS без существенных затрат на замену телефонов. Поэтому D-AMPS полностью совместим с AMPS, и телефон D-AMPS может задействовать цифровые каналы, если это возможно, или старые, аналоговые. И наоборот: аналоговые телефоны AMPS прекрасно работают с БС D-AMPS.
Стандарт GSM был создан в Европе в том же 1990 г. для объединения сетей операторов европейских стран под его эгидой. GSM и D-AMPS во многом схожи, это первые стандарты сотовой связи с применением протоколов аутентификации, призванных бороться с «двойниками» (два и более телефонов в сети под одним идентификатором).
Сети, работающие по этим стандартам, используют Time Division Multiple Access (TDMA) - временной метод разделения каналов. Суть его состоит в передаче всех каналов на одной полосе частот, но в разные временные интервалы (таймслоты). Сети, применяющие этот метод, обладают относительно большими абонентскими емкостями (на одной полосе может функционировать множество каналов) и не занимают широкую полосу частот. При этом каждый канал использует всю доступную полосу, что положительно сказывается на скорости передачи данных и устойчивости к помехам. Замечу, что D-AMPS, в целях совместимости, работает в том же диапазоне, что и AMPS, - 850 МГц, в то время как GSM есть как на 900 МГц, так и на 1800 МГц. Многие операторы GSM пользуются обоими диапазонами, и все современные телефоны - также как минимум двухдиапазонные. Зачем это нужно? Ответ прост. Чем выше частота сигнала, тем сильнее он затухает, но и зашумленность высокочастотных диапазонов ниже. Следовательно, при 900 МГц зона покрытия БС больше, а на 1800 МГц энергозатраты при работе значительно меньше. Отмечу также, что в диапазоне 1800 МГц для GSM выделена более широкая частотная полоса, что многократно увеличивает абонентскую емкость сети.
Цифровой метод представления данных в сетях GSM и D-AMPS позволяет использовать их для передачи любой информации, а не только голоса. Общая скорость на каждом канале у обоих стандартов составляет 9,6 Кбит/c. По нынешним временам это очень низкая пропускная способность, однако для передачи факсов (а иногда и для работы в Интернете) - вполне достаточно.
Третий распространенный стандарт второго поколения, CDMA, сильно отличается от двух предыдущих. Прежде всего, он имеет на вооружении прогрессивный метод кодового разделения каналов, который так и называется: Code Division Multiple Access (CDMA). Он подразумевает одновременную передачу всех каналов непрерывно в одной полосе частот. Как же их потом разделяют? Довольно просто: каждый канал кодируется по-своему, да еще и накладывается на шумоподобный несущий сигнал. БС при приеме вычитает из принятого сигнала шумоподобную составляющую, затем раскодирует каждый канал своим кодом. Не вдаваясь в технические подробности, поясню, зачем это нужно. Дело в том, что, во-первых, это позволяет каждому каналу использовать всю полосу частот, а она у CDMA немаленькая, при этом влияние узкополосных помех (обычно узкополосные помехи - наиболее сильные) становится незначительным. Во-вторых, самой шумоподобной несущей поглощается часть энергии шумов, соответственно, при вычитании несущей влияние помех ослабевает.
У CDMA немало преимуществ: большая, чем у TDMA, абонентская емкость, количество каналов зависит только от возможностей приемной аппаратуры, высокая устойчивость к помехам и высокая скорость передачи (не ограниченная стандартом сверху, как в случае TDMA). Сети CDMA работают в разных частотных диапазонах, в основном это 800 и 1900 МГц. Изначально CDMA поддерживает передачу цифровых данных со скоростью 14,4 Кбит/c.
Между вторым и третьим поколениями (2,5G)
Очевидно, что 9,6 Кбит/c и 14,4 Кбит/c давно уже недостаточно по нынешним меркам. Передача любого заметного объема информации с такой скоростью затянется на многие часы. Но полная замена оборудования, необходимая для перехода на новый стандарт, очень дорого обойдется операторам связи, да и куда девать миллионы существующих телефонов D-AMPS и GSM? Из этих соображений для обоих стандартов разработаны системы повышения скорости передачи данных без потери совместимости со старым оборудованием.
Особенно богат на подобные расширения стандарт GSM - на него рассчитаны сразу три системы увеличения пропускной способности.
High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) и General Packet Radio Service(GPRS) - стандарты пакетной передачи данных по сетям GSM, использующие для этого сразу несколько (пакет) таймслотов. В результате, скорость передачи увеличивается пропорционально количеству таймслотов, при этом для HSCSD максимальная теоретическая скорость равна 57,6 Кбит/c, для GPRS - 115 Кбит/с. Величины уже вполне внушительные, но не следует забывать, что достигаются они путем захвата неиспользуемых каналов, что либо резко снижает абонентскую емкость сети, либо сильно уменьшает скорость передачи данных при большом количестве абонентов.
Еще большую пропускную способность может обеспечить стандарт Enhanced Data Rate for Global Evolution (EDGE). При такой же пакетной передаче данных, как в HSCDS и GPRS, он подразумевает уплотнение канала (т.е. увеличение скорости каждого таймслота), достигая этим 474 Кбит/c. Благодаря его высокой пропускной способности, EDGE нередко причисляют к стандарту третьего поколения, хотя он не вполне соответствует современным требованиям, предъявляемым к сетям 3G.
Есть своя технология увеличения скорости передачи данных и в D-AMPS. В 2001 г. корпорация Ericsson предложила систему пакетной передачи данных Cellular Digital Packet Data (CDPD), которая сходна с технологиями пакетной передачи для GSM, но, в отличие от них, не уменьшает абонентскую емкость сети. Максимальная скорость у CDPD невысока, всего 19,2 Кбит/c.
CDMA также подвергается модернизации - в мире получил распространение стандарт CDMA 2000 1x. Он обеспечивает при полной совместимости со «старым» CDMA в 2 раза большую пропускную способность голосовых каналов и скорость передачи данных до 144 Кбит/с.
Совместимость между стандартами достигается за счет использования одних и тех же каналов передачи данных, а расширенные возможности CDMA 2000 1x обеспечиваются путем использования четырех новых каналов. Также существует CDMA 2000 3x, это вторая фаза развития CDMA 2000. Усовершенствования в ней приводят к увеличению скорости передачи информации свыше той, что достигнута в 1x, до 2 Мбит/с при многоканальной системе передачи.
Третье поколение сотовых сетей (3G)
Принципиальное отличие технологий третьего поколения от предыдущих - возможность обеспечить весь спектр современных услуг (передачу речи, Интернет-трафика, симметричную и асимметричную передачу информации с высоким качеством связи) и в то же время гарантировать совместимость с существующими системами. Услуги сетей третьего поколения принято делить на 2 группы: немультимедийные (узкополосная передача речи, низкоскоростная передача данных, сетевой трафик) и мультимедийные (асимметричные и интерактивные).
Для обеспечения качественного предоставления таких услуг концепцией International Mobile Telecommunication 2000 (IMT-2000) к сетям 3G предъявляются следующие требования по пропускной способности: до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость движения клиентского устройства менее 3 км/ч.) и локальной зоне покрытия и до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч.) и широкой зоне покрытия. В рамках проекта IMT-2000 разработаны 2 группы стандартов: IMT-DS, известная под названием Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), и IMT-MС, называемая CDMA 2000; обе системы предназначены для работы в диапазоне около 2 ГГц.
UMTS является семейством стандартов, призванных сменить широко распространенные в Европе GSM-сети, и, хотя при его разработке пришлось отказаться от принципа временного разделения каналов (TDMA) и перейти на широкополосный доступ с кодовым разделением каналов Wideband-CDMA (W-CDMA), практически все телефоны для UMTS поддерживают в целях совместимости также и GSM.
CDMA 2000 - это следующий этап развития CDMA, предполагающий плавный переход от 2G к 3G через CDMA 2000 1x, к CDMA 2000 1xEV (Evolution), включающий в себя 2 стандарта: 1xEV-DO (Evolution-Data Only, только данные) и 1xEV-DV (EvolutionData and Voice, данные и голос).
1xEV-DO работает совместно с CDMA 2000 1x, используя сеть 1x для передачи голоса, а 1xEV-DO - для передачи данных, при этом пропускная способность составляет от 600 Кбит/c до 2 Мбит/c.
1xEV-DV обеспечивает передачу как голоса, так и данных со скоростью от 2 до 5 Мбит/с, и полностью соответствует требованиям к сетям 3G. Именно этим стандартом должен заканчиваться переход на 3G.
Беспроводные компьютерные сети передачи данных
Большинство распространенных беспроводных компьютерных сетей идеологически ведут начало от проводного стандарта Ethernet, частично используя те же протоколы, из-за чего их часто называют RadioEthernet. Долгое время на него не существовало никакого стандарта, вследствие чего каждый изготовитель выпускал устройства, совместимые только со своим же оборудованием. Характеристики производимой аппаратуры также были самые разные, в зависимости от технологических достижений фирмы. Такая ситуация, конечно же, мало кого устраивала, поэтому и были созданы международные стандарты на беспроводные сети передачи данных.
Wireless Fidelity (Wi-Fi)
Первый международный стандарт на беспроводные сети Wireless Local Area Networks (WLAN) в диапазоне 2,4 ГГц, а также в инфракрасном диапазоне получил название IEEE 802.11. Он разрабатывался очень долго, с 1990 по 1997 г., что привело к его моральному устареванию еще до официального выпуска. Изначально в нем были заложены скорости передачи 1 и 2 Мбит/с, что по меркам 1990 г. было очень много, однако в 1997 г. уже не годилось. Поэтому в 1999 г. было принято расширение стандарта IEEE 802.11, получившее название IEEE 802.11b, характеризующееся пропускной способностью сети до 11 Мбит/c. Вскоре после этого семья 802.11 расширилась за счет 802.11g и 802.11a, обеспечивающих скорость до 54 Мбит/c. Отличаются они используемым диапазоном: в 802.11g радиообмен ведется на частоте 2,4 ГГц, а в 802.11a - 5 ГГц.
Как уже отмечалось, при работе на высокой частоте сигнал затухает сильнее, но и зашумленность высоких частот ниже; собственно, по той же причине - затухание шумов также выше. Вследствие этого, сетевое оборудование стандарта 802.11a способно обеспечить лучшую связь на близком расстоянии (например, в пределах комнаты), а 802.11g обладает лучшей максимальной дальностью связи. Аппаратура 802.11g полностью совместима с устройствами 802.11b, т.к. диапазон используется тот же. Эти особенности повлекли за собой совместное распространение 802.11a и 802.11g, и на рынке присутствует множество устройств, способных работать с беспроводной сетью любого из стандартов 802.11.
При взаимодействии устройств Wi-Fi возможны 2 режима работы: Ad Hoc и Infrastructure. Первый также называют Independent Basic Service Set (IBSS) или просто Peer-to-peer (точка-точка). Он представляет собой самый простой вариант сети Wi-Fi, когда сетевые контроллеры соединяются непосредственно друг с другом, напрямую. В режиме Infrastructure взаимодействие идет через точку доступа, которая играет роль концентратора и предназначена, по сути, для соединения сети Wi-Fi с проводным сегментом. При этом возможна простая организация сети, называемая Basic Service Set (BSS) и более сложная, Extended Service Set (ESS). В первой все сетевые контроллеры соединены с одной точкой доступа, а в случае ESS одновременно работают несколько соединенных между собой точек доступа, и сетевой контроллер может выбрать любую. ESS обычно используют в том случае, если нужно организовать покрытие сетью большого пространства, к примеру многоэтажного здания. Тогда при перемещении сетевого контроллера из зоны покрытия одной точки доступа в зону покрытия другой соединение будет автоматически переключаться - примерно так же, как это организовано в сотовых телефонных сетях.
Именно так чаще всего выглядят пользователи беспроводных технологий.
Группа стандартов 802.16, называемая WiMAX, была разработана для распределенных сетей в масштабе города, Wireless Metropolitan Area Network (WMAN), и предназначена для гарантированной скорости передачи данных до 70 Мбит/с на расстояние нескольких километров от базовой станции. Такое решение способно закрыть провайдерскую проблему «последней мили» (доставки Интернет-трафика непосредственно до потребителя), а также сократить финансовые расходы и временные затраты на организацию новых подключений - если клиент находится в зоне действия БС WiMAX (и при этом не в подвале), его можно легко подключить к сети. При этом WiMAX не будет заменять собой Wi-Fi в области локальных сетей. Дело в том, что такие скорость и зона покрытия требуют сложной, дорогой и громоздкой аппаратуры, вследствие чего сети стандарта WiMAX организованы по принципу сотовых: на каждые несколько километров (в городе чаще, в сельской местности реже) устанавливается одна мощная базовая станция, а пользователи работают с компактными маломощными абонентскими устройствами. Только в этом случае в качестве последнего выступает чаще всего не телефон, а специальный сетевой контроллер.
Первая версия стандарта была сформулирована для частот от 10 ГГц до 66 ГГц, на которых сильное затухание сигнала не позволяло строить сети с большим покрытием. Однако в январе 2003 г. был принят 802.16a, который уже относился к более эффективному диапазону от 2 ГГц до 11 ГГц. Стандарты 802.16 и 802.16a предполагают только стационарную связь, а новый 802.16e описывает роуминг и процедуры незаметного для пользователя перехода из одной соты в другую.
Существенным отличием 802.16 от 802.11 является возможность использования протокола с разрешением конфликтов. Устройства 802.11 работают по принципам Ethernet, все они имеют равные права на доступ к эфиру, а попытавшись одновременно установить связь, разрешают конфликты, повторяя попытки захвата среды через случайный промежуток времени. В 802.16 имеется выделенное устройство - базовая станция оператора, которая раздает клиентским устройствам права доступа к среде. В результате протокол нового стандарта позволяет более эффективно использовать радиочастотный ресурс и обеспечивать эффективную передачу данных. Реализовано это с помощью технологии TDMA так же, как и в некоторых стандартах сотовой связи. Таким образом удается избежать коллизий (ситуации, когда несколько адаптеров одновременно пытаются передавать) и улучшить работу сети.
Кроме того, в стандарте 802.16 предусмотрен встроенный механизм обеспечения качества обслуживания трафика Quality of Service (QoS), позволяющий операторам сетей WiMAX предоставлять услуги IP-телефонии и передачи видеоинформации без возможных проблем с наличием достаточно свободного канала - нужная пропускная способность жестко резервируется под эти нужды.
Такие характеристики нового стандарта дают основание говорить о том, что, возможно, в лице WiMAX у сотовых сетей третьего поколения может появиться сильный конкурент, способный делать все то же самое, только лучше.
Персональные беспроводные сети
Персональные беспроводные сети, или Wireless Personal Area Networks (WPAN) предназначены преимущественно для дополнения WLAN и используются для связи портативных компьютеров, мобильных телефонов, электронных органайзеров, принтеров, факсов, сканеров и других устройств, которые прежде можно было соединять только проводами. К устройствам для организации таких сетей предъявляется несколько основных требований: малая стоимость, низкое энергопотребление, компактность, простота установки и настройки. Самым распространенным стандартом WPAN на данный момент является Bluetooth.
Bluetooth
Разработку технологии Bluetooth начала компания Ericsson еще в 1994 г. Именно там была сформирована команда соответствующих специалистов. Первоначальной их целью было получение нового радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и невысокой стоимостью, который позволил бы устанавливать связь между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. Но уже в начале 1998 г. 5 крупнейших компаний компьютерного и телекоммуникационного рынка - Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia - объединились для совместной разработки технологии беспроводного соединения мобильных устройств. 20 мая 1998 г. была официально представлена специальная рабочая группа, призванная обеспечить беспрепятственное внедрение технологии, которая описывается стандартом IEEE 802.15.1 и известна под названием Bluetooth.
Поскольку для связи в радиочастотном диапазоне характерен высокий уровень помех, технология Bluetooth использует быстрый отклик и скачкообразное изменение несущей частоты. Чтобы избежать интерференции с другими источниками сигналов, частота изменяется после каждого приема или передачи одного пакета информации. Весь выделенный для Bluetoothрадиосвязи частотный диапазон 2,402- 2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого из них - 1 МГц, разнос каналов - от 140 до 175 кГц, для США и Европы количество каналов равно 79; исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Такой способ передачи называется Frequency Hop Spread Spectrum (FHSS). При использовании FHSS поочередно задействуются разные участки широкого диапазона, тем самым ограничивается влияние бытовых и микроволновых приборов, например СВЧ-печей, т.к. в случае зашумления одного из участков передача пакета будет повторена на другом. Для дополнительной помехоустойчивости в Bluetooth предусмотрена прямая коррекция ошибок Forward Error Correction (FEC). Устройства стандарта 802.15.1 способны обеспечить создание асимметричного канала передачи данных на скоростях от 57,6 Кбит/c до 723,3 Кбит/с в любую сторону или симметричного канала на скорости 433,9 Кбит/с.
Различные Bluetooth-устройства соединяются друг с другом автоматически, стоит им только оказаться в пределах досягаемости; все, что требуется от пользователя, это позаботиться о том, чтобы они находились достаточно близко друг к другу. Bluetooth-устройства могут устанавливать соединения типа «точка-точка», если их только два, и «точка-много точек», когда одно одновременно работает с несколькими другими. В последнем случае то, которое обслуживает несколько соединений, называется master (главное), а подключенные - slave (управляемые). Такая структура называется Piconet. В случае необходимости любое управляемое устройство в Piconet может стать управляющим, поменявшись ролью с прежним «лидером». Несколько независимых сетей Piconet, между которыми возможен обмен информацией, образуют распределенную сеть Scatternet.
Дальность устойчивой связи по Bluetooth варьируется в зависимости от т.н. класса мощности. Устройства первого класса мощности способны держать связь в 100 м друг от друга, в то время как для второго пределом являются 30 м. Замечу, что оборудование второго класса на данный момент распространено гораздо шире из-за значительно меньшего потребления энергии.
В целом, сеть по технологии Bluetooth полностью соответствует требованиям для WPAN. Но низкая пропускная способность значительно сужает сферу ее использования, оставляя эту технологию низкоскоростным устройствам.
Wireless Universal Serial Bus (WUSB)
Отсутствие стандарта на WPAN высокой пропускной способности, необходимой для передачи качественного звука и изображения, побудило разработчиков создать новый стандарт - Wireless USB, или WUSB.
Первая спецификация WUSB регламентирует скорость передачи 480 Мбит/с, что сравнимо с существующим проводным стандартом USB 2.0. Новый интерфейс обеспечивает высокоскоростную передачу данных на расстояния менее 10 м при низком энергопотреблении, следующие версии интерфейса будут поддерживать обмен данными на скорости до 1 Гбит/с.
Организация взаимодействия устройств USB подразумевает наличие WUSB-хоста, в роли которого чаще всего выступает компьютер, снабженный соответствующим адаптером, с которым методом «точка-точка» соединяются WUSB-устройства, образуя, таким образом, т.н. WUSB-кластер. В такой топологии хост-компьютер инициирует любой обмен данными между подключенными к нему устройствами, выделяя временные интервалы и полосу пропускания для каждого из них. Разработчики также позаботились о том, чтобы несколько WUSB-кластеров могли существовать в непосредственной близости друг от друга с минимальными взаимными помехами.
Таким образом, WUSB по своим характеристикам практически не уступает проводным интерфейсам USB и FireWire (разве что грешит несколько большим энергопотреблением), обладая при этом огромным достоинством - отсутствием проводов и разъемов. Вероятно, в ближайшие годы новый стандарт будет вытеснять проводные интерфейсы, и персональные сети передачи данных получат самое широкое распространение.
***
Как видите, у пользователя всегда есть выбор между несколькими стандартами, каждый из которых обладает как преимуществами, так и недостатками, а главное - имеет свои области применения. Уже сейчас существует масса потребительских решений, способных полностью обеспечить нужды конкретного человека в организации беспроводного обмена данными между цифровыми устройствами, при этом полученная сеть будет многократно надежнее и дешевле в развертывании, нежели традиционное проводное подключение. Потребитель должен лишь выбрать, какие сети следует построить: возможно, ему нужно подключить множество периферийных устройств, используя WPAN; не исключено, что назрела необходимость перевести локальную сеть на WLAN, да и местный проводной доступ в Интернет перестал устраивать, или появилась надобность в мобильности... А то и все вместе.
