| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Физика беспроводных сетей
1. История и классификация беспроводных сетей
Беспроводная связь используется для передачи данных уже достаточно давно. Самым древним из примеров можно считать световой способ. Например, на Великой Китайской стене простейшим сигналом об опасности служил огонь, зажигаемый дежурным на башне. Башни возводились на расстоянии прямой видимости друг от друга. Если на одной из них загорался костер, то такие же костры загорались на соседних, и сигнал об опасности преодолевал километры за считанные минуты.
В XVIII веке для установления сообщений между Парижской и Гринвичской обсерваториями был устроен оптический телеграф, который использовал огни. Уже в следующем веке военные использовали гелиографы – устройства, с помощью зеркал которого можно было направлять световой луч на другой гелиограф. При благоприятной погоде дальность такого сигнала достигала 65 км. Позднее подобного рода оптическая связь была вытеснена электрическими телеграфами.
Разработка более привычных для нас систем связи началась в XX веке, после изобретения ЭВМ. До 1990-х годов исследования были немногочисленными и разрозненными, единого стандарта не существовало. Все изменилось, когда в 1996 был создан стандарт IEEE 802.11 для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне. Он устанавливал две скорости передачи необработанных данных: 1 и 2 мегабита в секунду (Мбит/с) для передачи через инфракрасные сигналы, либо с помощью методов псевдослучайной перестройки рабочей частоты (FHSS) или расширения спектра прямой последовательности (DSSS) в полосе радиочастот (2,4 ГГц).
В настоящий момент существуют более 20 различных стандартов семейства 802.11, наиболее новыми из которых являются IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) и IEEE 802.11ay (WiGig-2).
Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий. Самый основной – классификация по дальности действия:
– WPAN (беспроводные персональные сети) – например, технология Bluetooth;
– WLAN (беспроводные локальные сети) – например, Wi-Fi;
– WMAN (беспроводные сети масштаба города) – например, WiMax;
– WWAN (беспроводные глобальные сети) – EDGE, 3G, LTE и т.д.
[i]Рисунок 1. Классификация беспроводных сетей по дальности действия.[/i]
Другой способ классификации – по топологии:
– источник-приемник (peer-to-peer), когда напрямую соединяются два узла, но без использования проводов;
– источник – много приемников (звезда), схема, характерная для сотовых сетей или для технологии Wi-Fi;
– много источников – много приемников (ячеистая топология, mesh) – редко встречающийся тип беспроводного канала, применяющийся обычно для соединения нескольких компьютеров, либо для организации работы устройств интернета вещей.
В дальнейших разделах будут рассмотрены особенности технологии беспроводных ЛВС типа WLAN, с топологиями «источник-приемник» и «звезда», а также WPAN c ячеистой топологией.
2. Локальные сети на инфракрасном излучении и Li-Fi
Исследования возможности передачи данных при помощи инфракрасного излучения ведутся довольно давно. Например, в СССР эта технология активно изучалась в 60-х – 70-х годах ХХ века. Эксперименты проводились в разных регионах страны, и были достаточно успешными. Однако на тот момент советские инженеры не смогли придумать, как преодолеть сильную метеозависимость качества сигнала, и пришли к мнению, что данное направление является бесперспективным.
К разработкам вернулись в конце 80-х годов. Системы получили наибольшее распространение к 1998 году, когда была освоена технология массового производства надежных и мощных лазерных полупроводниковых диодов. Преимуществом ИК-технологий является, в первую очередь, сам ИК-диапазон излучения, так как другие беспроводные устройства работают в иных диапазонах. Благодаря направленности ИК-луча достигается высокая конфиденциальность связи, а также относительно высокая скорость. Скоростные характеристики канала передачи в инфракрасных сетях в первую очередь определяются техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов. Инфракрасные сети нормально функционируют на скорости 10 Мбит/с [1].
Сигналы входного интерфейса системы используются для модуляции сигнала в открытом оптическом канале. Сама технология передачи основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит полупроводниковый излучающий диод. В качестве приемника используется высокочувствительный фотодиод. Излучение воздействует на фотодиод, вследствие чего регенерируется исходный модулированный сигнал. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. С обеих сторон используется система линз, на передающей стороне – для получения коллимированного луча, а на приемной стороне – для фокусирования принятого излучения на фотодиод. Для дуплексной передачи организуется точно такой же обратный канал.
Однако главной проблемой ИК-технологии является среда передачи данных. Дело в том, что даже при незначительно отличающихся атмосферных условиях прозрачность атмосферы может кардинально различаться. Также свою лепту в помехи вносят сильные источники света. Это придает дополнительную сложность проектированию ИК-сетей.
[i]Рисунок 2. График зависимости проницаемости среды для разных длин волн в определенных погодных условиях[/i]
Сейчас ИК-сети почти не используются, но существуют в чём-то похожие на эту технологию проекты, например, Li-Fi. Стандарт был предложен в 2011 году профессором Эдинбургского университета Харальдом Хаасом. В качестве маршрутизаторов для беспроводной передачи данных в Li-Fi используют обычные светодиодные светильники.
Все данные из Интернета по проводам поступают в модернизированный драйвер светодиодной лампы, который преобразует (то есть модулирует) сигнал в двоичный код. Если светодиод включен, то передается «1», если выключен – «0». Переключение режимов включено/выключено происходит с огромной скоростью. Поэтому человеческие глаза не воспринимают моргание светоизлучающего устройства. Внешне для пользователя лампа остается постоянно включенной и работающей с неизменной интенсивностью. На приемном конце (компьютере или любом мобильном устройстве) установлен высокочувствительный фотодетектор. Он воспринимает мельчайшие изменения интенсивности светового потока и преобразует их в электрические сигналы, которые с помощью специального модуля усиливаются и преобразуются обратно в поток данных.
[i]Рисунок 3. Схема работы Li-Fi[/i]
Достоинства данной технологии – высокая (для 2011 года) скорость до 1 Гбит/сек, безопасность, энергоэффективность и независимость от радиопомех. В то же время остается множество неразрешенных вопросов, которые до сих пор не позволяют технологии «взлететь». В первую очередь, это обычные солнечные лучи и прочие источники света, маленькая зона покрытия, а также габариты устройств-приемников. Тем не менее, технология все еще имеет право на жизнь. Так, в 2017 году в ИТМО была запущена первая в России сеть Li-Fi.
3. Атмосферная оптическая линия связи
Данный вид связи близок к ИК-связи, но все же является существенным ее развитием. АОЛС – вид оптической связи, использующий электромагнитные волны оптического диапазона, передаваемые через атмосферу.
[i]Рисунок 4. Внешний вид АОЛС-модема[/i]
Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу. На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом чем выше частота (до 2 ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. Ключевой принцип АОЛС основан на компромиссе: чем большую продолжительность простоев вследствие неблагоприятных погодных условий (туманов) допускает заказчик, тем протяженнее будет канал связи.
Беспроводная оптика является хорошим решением в тех случаях, когда необходимо реализовать прямую связь между двумя домами, или в условиях, когда прокладка кабеля невозможна. Ещё один вариант – необходимость закрытого помехоустойчивого канала передачи данных.
Испытания АОЛС-модемов последнего поколения показывают, что в среднем за годовой период в г. Санкт-Петербурге модемы были разъединены не более часа, в условиях сильного снегопада, а в остальное время работа была стабильной, а передача данных происходила без сбоев. В настоящее время скорость передачи данных достигает 1 Гбит/сек [2].
4. Технология Wi-Fi
Наиболее популярной и широко применяемой WLAN-технологий на данный момент является WI-Fi, созданный на основе серии стандартов IEEE 802.11.
В принцип работы Wi-Fi положена передача зашифрованных сигналов посредством СВЧ-волн на небольшие расстояния. Схема сети состоит минимум из двух элементов: точка доступа и клиент, или же клиент и клиент. Точка доступа транслирует идентификатор (SSID, имя сети) посредством спецпакетов данных 10 раз в секунду со скоростью 100 Кбит/с. Это теоретически наименьшая пропускная способность беспроводного канала. При попадании в зону действия и обнаружении сигнала устройство-клиент делает вывод о возможности подключения к ней (разность технологий может стать тому помехой). Передатчик, Wi-Fi роутер, может и не передавать свой идентификатор, тогда сеть будет невидимой для клиентов. Подключиться к ней можно только посредством ввода SSID и пароля, если она защищена.
Рассмотрим работу стандартной домашней Wi-Fi сети, состоящей из одной точки доступа – роутера, и нескольких клиентских устройств. Роутер получает трафик через сетевой кабель, преобразовывает его в радиоволны и распространяет их «по воздуху» в виде радиосигналов сверхвысокой частоты с определёнными параметрами. Приёмник «ловит» эти волны и расшифровывает, извлекает из них информацию, которая кодируется несущей частотой.
С 1997 года стандарт 802.11 претерпел множество редакций, и технологическое развитие этой технологии не останавливается и по сей день. Рассмотрим более подробно параметры старых и современных версий Wi-Fi.
4.1. Семейство стандартов 802.11 до 2019 года
Изначально для своей работы Wi-Fi использовал микроволновый диапазон частот 2,4 ГГц. В самом первом варианте стандарта в зависимости от выбранного метода кодирования радиосигнала (псевдослучайная перестройка рабочей частоты, FHSS, или расширение спектра методом прямой последовательности, DSSS) скорость могла достигать либо 1, либо 2 Мбит/с. В 1999 году был принят стандарт IEEE 802.11b, который развивал метод DSSS, что позволило повысить скорость до 11 Мбит/с. Также новая спецификация предусматривала разбиение диапазона 2,4 ГГц на 14 каналов, каждый из которых, кроме последнего, отстоит от соседей на 5 МГц.
[i]Рисунок 5. Схема разбиения диапазона на каналы в стандарте 802.11b[/i]
Для передачи данных согласно стандарту 802.11b используется полоса частот шириной в 22 МГц, поэтому одного канала шириной в 5 МГц оказывается недостаточно, приходится объединять несколько соседних каналов. Для того чтобы гарантировать некоторый минимум взаимных помех, возникающих от передатчиков, работающих в диапазоне 2,4 ГГц, комитет 802.11 определил так называемую спектральную маску, определяющую расширенный спектр мощности передатчика, работающего в каком-либо из каналов. Этот спектр должен затухать не меньше чем на 30 Дб на расстоянии 11 МГц от центра канала, что создает укрупненную полосу шириной в 22 МГц с центром в некотором из 14-и каналов. В результате одновременно в одной и той же области покрытия могут работать несколько независимых беспроводных сетей стандарта 802.11b [3].
Для передачи данных в стандарте 802.11а используется техника ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM). Данные первоначально кодируются на 52 первичных несущих частотах методом 16-QAM или 64-QAM, а затем сворачиваются в общий сигнал с шириной спектра в 20 МГц. Скорость передачи данных в зависимости от метода кодирования первичной несущей частоты составляет 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 или 54 Мбит/с.
Стандарт 802.11g для физического уровня разработан рабочей группой института IEEE летом 2003 года. Он быстро завоевал популярность, так как обеспечивал те же скорости, что и стандарт 802.11а, то есть до 54 Мбит/с, но в диапазоне 2,4 ГГц, то есть в том диапазоне, где до этого удавалось достигать максимальной скорости в 11 Мбит/с на оборудовании стандарта 802.11b. В то же время стоимость оборудования стандарта 802.11g достаточно быстро стала соизмеримой со стоимостью оборудования стандарта 802.11b, что и стало причиной роста популярности новой спецификации. В ней, так же как и в спецификации 802.11а, используется OFDM.
Следующей вехой в развитии Wi-Fi стал стандарт 802.11n, принятый в 2009 году. Скорость передачи данных возросла до 600 Мбит/с. Оборудование, соответствующее стандарту, может работать и в диапозоне 2,4 ГГц, и в диапозоне 5 ГГц, который является более предпочтительным в связи с большим количеством доступных каналов и меньшей загруженностью [4].
Для достижения такой скорости были применены новые механизмы. Полоса в каналах увеличилась в 2 раза, до 40 МГц. Сильный эффект дало усовершенствование в кодировании OFDM: вместо 52 первичных несущих частот на полосу в 20 МГц здесь используется 57 таких частот, а на полосу в 40 МГц, соответственно, 114. Также технология 802.11n уменьшила межсимвольный интервал до 400 нс. Была применена технология MIMO (Multiple Input Multiple Output — множественные входы и выходы). Эта техника основана на использовании одним сетевым адаптером нескольких антенн с целью лучшего распознавания сигнала, пришедшего к приемнику разными путями. Обычно из-за таких эффектов распространения радиоволн, как отражение, дифракция и рассеивание, приемник получает несколько сигналов, дошедших от передатчика по разным физическим путям и имеющим, следовательно, сдвиг по фазе. До введения техники MIMO такие явления считались негативными и с ними боролись путем применения нескольких (обычно двух) антенн, из которых в каждый момент времени использовалась только одна — та, которая принимала сигнал лучшего качества. Техника MIMO принципиально изменила отношение к сигналам, пришедшим разными путями, — эти сигналы комбинируются и путем цифровой обработки из них восстанавливается исходный сигнал.
В стандарте 802.11ас (Wi-Fi 5), принятом в 2013 году, стали возможными полоса канала в 160 МГц, поддержка 8 каналов MIMO и усовершествованная модуляция 256QAM с большим числом состояний.
[i]Таблица 1. Сравнительные характеристики основных стандартов серии 802.11[/i]
4.2. Стандарт 802.11ax
В 2019 году появился новый стандарт – 802.11ах, он же Wi-Fi 6, и на рынке уже можно найти устройства, которые ему соответствуют. Какое развитие он дал существующим технологиям?
Новый стандарт предназначен для работы в уже существующих спектрах 2,4 ГГц и 5 ГГц, но может включать дополнительные полосы частот в диапазонах от 1 до 7 ГГц по мере их появления. Хотя номинальная скорость передачи данных только на 37% выше, чем в предыдущем стандарте IEEE 802.11ac, ожидается, что Wi-Fi 6 позволит в 4 раза увеличить среднюю пропускную способность за счет более эффективного использования спектра и улучшений для плотного развертывания.
В Wi-Fi 6 (по аналогии с сетями 4G) появилась поддержка OFDMA — множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов. Чтобы эффективнее использовать спектр там, где на него претендует много пользователей, частотный канал разделяется на поднесущие шириной около 78 кГц. Передача осуществляется на каналах, сформированных из некоторого количества поднесущих, кратного 26.
[i]Рисунок 6. Схема работы технологии OFDMA[/i]
Помимо модуляции QAM 256 из предыдущей версии стандарта, в Wi-Fi 6 поддерживается QAM 1024, что позволяет увеличить количество бит передаваемой информации в расчете на 1 Гц частотного диапазона. Теоретическая скорость новой версии стандарта при использовании ультраширокой полосы пропускания — 9,6 Гбит/с. Качество беспроводных сетей предыдущих версий Wi-Fi существенно падает при росте числа клиентов, но в Wi-Fi 6 были заложены механизмы, позволяющие сократить конфликты и простой устройств из-за занятой среды передачи.
[i]Рисунок 7. Сигнальные созвездия для 256QAM и 1024QAM[/i]
Для решения проблемы коллизий в Wi-Fi 6 заложен механизм «раскрашивания» (а точнее, маркировки) пакетов в одних и тех же частотных каналах, используемых разными устройствами — BSS coloring. При таком раскладе, обнаружив пакет с «чужим» кодом, устройство проигнорирует его. Помочь процедуре должно автоматическое регулирование порогов обнаружения сигнала для «своих» и «чужих», а также усовершенствование механизма фокусировки передачи в направлении клиентских устройств [5].
Все большая доля устройств, подключенных к беспроводным сетям, так или иначе относится к интенету вещей. Поэтому в Wi-Fi 6 был заложен механизм, который позволяет сократить энергопотребление устройств и уменьшить количество конкурентов за среду передачи в каждый конкретный момент времени. Этот механизм получил название TWT (target wake time). Он подразумевает пробуждение устройств интернета вещей по таймеру только тогда, когда требуется собрать данные. В остальное время устройство «спит» и не претендует на среду передачи. В итоге новая версия стандарта позволяет строить сети с более высокой емкостью, нежели Wi-Fi 5. Упомянутые на рисунке триггеры также используются для повышения эффективности MIMO – в новом стандарте она может работать не только на передачу, но и на прием сигналов [6].
[i]Рисунок 8. Диаграмма работы технологии TWT[/i]
4.3. Стандарты 802.11ad и 802.11aу – WiGig
Семейство стандартов 802.11 охватывает не только технологию Wi-Fi. Существует WiGig, отличающийся своим частотным диапазоном – 60 ГГц. В нем может существовать 4 канала шириной 2,16 ГГц каждый. Широкая полоса канала позволяет передавать данные с гигабитными скоростями — до 4,6 Гбит/с при наличии одного канала и до 7 Гбит/с при мультиплексированой передаче OFDM одновременно по четырем каналам.
Его развитием является 802.11ау, WiGig2. Скорость передачи увеличится до 20-40 Гбит/с, частотный диапазон одного канала увеличится до 8,64 ГГц. В настоящее время данный стандарт еще не получил своей окончательной версии, разработка продолжается.
Существенным недостатком WiGig по сравнению с ближайшим конкурентом, Wi-Fi, является невозможность прохождения сигнала 60 ГГц сквозь стены в помещениях – в такой ситуации роутеры WiGig переходят в режим 2,4/5 ГГц. Это делает нецелесообразным его использование при проектировании SOHO-сетей, однако может использоваться в других, более узкоспециализированных задачах [4].
5. ZigBee
Определенный интерес при изучении WLAN представляют также WPAN, специально разработанные для создания инфраструктуры интернета вещей, и применяющиеся, например, при создании т.н. «умных домов». Самой распространенной технологией в этой области является ZigBee – стандарт беспроводной связи между устройствами с низким электропотреблением, низкой дальностью и низкой скоростью передачи данных, основанный на стандарте IEEE 802.15.4.
Большим преимуществом ZigBee по сравнению с типичными WLAN является её самоорганизующаяся и самовосстанавливающаяся ячеистая топология, представленная на рисунке 12. Как можно заметить, каждая ячейка сети связана с другими, находящимися с ней поблизости.
Каждое устройство в сети, не находящееся в спящем режиме, является, по сути, маршрутизатором. Каждое из них выбирает оптимальный маршрут следования пакетов и осуществялет их ретрансляцию. Даже если из строя выйдет устройство, которое выступало в качестве организатора сети, остальная сеть продолжит функционировать дальше. При этом с введением дополнительных узлов, которые имеют стационарное питание и могут выполнять задачи роутера, сеть становится надежнее.
[i]Рисунок 9. Стандартная топология сети ZigBee[/i]
Координатор – это узел, организовавший сеть. Он выбирает политику безопасности сети, разрешает или запрещает подключение к сети новых устройств, а также при наличии помех в радиоэфире инициирует процесс перевода всех устройств в сети на другой частотный канал. Роутер – это узел, который имеет стационарное питание и, следовательно, может постоянно участвовать в работе сети. На узлах этого типа лежит ответственность по маршрутизации сетевого трафика. Конечный узел – это устройство, которое подключается к сети через родительский узел и не участвует в маршрутизации трафика. Все общение с сетью для них ограничивается чтением и передачей пакетов со связанным узлом. Роутер и координатор являются FFD, а конечный узел – RFD.
Технология ZigBee в России работает на частоте 2,4 ГГц, как и Wi-Fi. Это следует учитывать при разработке умного дома, так как присутствие многих устройств в одном радиоканале одновременно может вызывать помехи [7].
Еще две особенности ZigBee – низкая скорость передачи данных, до 250 Кбит/с, и низкое электропотребление. Первое не является большой проблемой, ведь устройства, основанные на этой технологии, и не требуют больших объемов данных, в большинстве своем обмениваясь друг с другом лишь короткими сообщениями. Низкое электропотребление во многом достигается за счет нахождения RFD в спящем режиме большую часть времени. Например, выключатель, работающий по ZigBee, тратит энергию только во время отправки команды лампочке на включение или выключение, и может работать месяцами без замены батареек.
6. Заключение
Успех Wi-Fi за прошедшие почти 3 десятка лет определили не только разработчики стандарта, но и инженеры различных компаний по всему миру, которые выпустили линейку беспроводного оборудования на основе предложенных стандартов, а также клиенты, впустившие в свою жизнь эти беспроводные решения. Несмотря на то, что беспроводные технологии мобильной связи стремительно развиваются (на горизонте уже 5G), Wi-Fi по-прежнему предлагает множество интересных и перспективных решений, благодаря которым, несомненно, будет востребован еще не один десяток лет. В данной работе отражена общая информация по семейству стандартов IEEE 802.11, функциям и принципам работы Wi-Fi, WiGig и других беспроводных технологий. С ростом требований пользователей и распространением так называемого интернета вещей (IoT) они должны стать еще более функциональными и разнообразными, и такие технологии, как ZigBee, уже сейчас задают новые направления развития.
Список используемых источников:
1. Балабеков Б.Ч., Егембердиев Т.Т. Обзор современного оборудования для высокоскоростной передачи данных. // Наука и образование сегодня. – Иваново: Олимп, 2017. – №6 (17). – с.18-20.
2. Милютин Е.Р. Зарубежные атмосферные оптические линии связи. // Вестник связи. – М.: ЗАО «ИРАИС», 2013. – №10 (12). – с.42-43.
3. Э. Таненбаум. Компьютерные сети. 4-е изд. – СПб: Питер, 2003. – 992 стр.
4. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов. 5-е изд. – СПб: Питер, 2016. – 992 стр.
5. Блог компании Huawei. Wi-Fi 6: что у 802.11ах внутри. – интернет-ресурс (https://habr.com/ru/article/449116/)
6. Nurchis M., Bellalta B. Target Wake Time: Scheduled access in IEEE 802.11ax WLANs. // IEEE Wireless communications. – Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2019. – T.26, №2. – с.142-150.
7. Краснобрыжий Б.В., Лавров И.В., Муравьев К.А., Чебова А.И. Анализ беспроводных сенсорных сетей на основе стандарта ZigBee // Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы. XV Молодежная научно-техническая конференция. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. – с. 306-314. |
Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: skyrim-fus-ro-dah (26.12.2019)
| Автор: Сиваков Андрей 
|
| Просмотров: 775
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
