Беспроводные средства передачи информации

Тема7. Беспроводные средства передачи информации 7.1 Классификация беспроводных сетей Беспроводные сети позволяют людям связываться и получать доступ к приложениям и информации без использования проводных соединений. Это обеспечивает свободу передвижения и возможность использования приложений, находящихся в других частях дома, города или в отдаленном уголке мира. Например, человек, осуществляющий из своего дома поиск информации в Internet, может делать это вдали от шумных детей или сидя перед телевизором вместе со всей семьей. Беспроводные сети позволяют людям получать электронную почту или просматривать Web-страницы там, где им удобно или нравится это делать. Беспроводные сети соседствуют с нами уже многие годы. Так, к примитивным формам беспроводной связи можно отнести дымовые сигналы американских индейцев, когда они бросали в огонь шкуры бизонов, чтобы передать на большое расстояние какое-то сообщение. Или использование прерывистых световых сигналов для передачи посредством азбуки Морзе информации между кораблями, этот метод был и остается важной формой связи в мореплавании. И, конечно, столь популярные ныне сотовые телефоны, позволяющие людям общаться через огромные расстояния, также можно отнести к беспроводной связи. Существует множество разновидностей беспроводной связи, но важнейшей особенностью беспроводных сетей является то, что связь осуществляется между компьютерными устройствами. К ним относятся персональные цифровые помощники (personal digital assistance, PDA), ноутбуки, персональные компьютеры (ПК), серверы и принтеры. Компьютерными устройствами считаются такие, которые имеют процессоры, память и средства взаимодействия с какой-то сетью. Обычно сотовые телефоны не относят к числу компьютерных устройств, однако новейшие телефоны и даже головные гарнитуры (наушники) уже обладают определенными вычислительными возможностями и сетевыми адаптерами. Все идет к тому, что скоро большинство электронных устройств будут обеспечивать возможность подключения к беспроводным сетям. Как и сети, основанные на использовании проводов или оптических волокон (optical fiber), беспроводные сети передают информацию между компьютерными устройствами. Эта информация может быть представлена в виде сообщений электронной почты, Web-страниц, записей базы данных, потокового видео или голосовых сообщений. В большинстве случаев беспроводные сети передают данные (data), такие как сообщения электронной почты и файлы, но по мере улучшения характеристик беспроводных сетей они способны передавать и видеосигналы, а также обеспечивать телефонную связь. Беспроводные сети в качестве средства передачи для обеспечения взаимодействия между пользователями, серверами и базами данных используют радиоволны или инфракрасный (ИК) диапазон1. Эта среда передачи невидима для человека. Кроме того, действительная среда передачи (воздух) прозрачна для пользователя. Сейчас многие производители интегрируют платы интерфейса сети (network interface card, NIC), так называемые сетевые адаптеры, и антенны в компьютерные устройства таким образом, что они не видны пользователю. Это делает беспроводные устройства мобильными и удобными в применении. В зависимости от размеров физической зоны, связь в которой они способны обеспечить, беспроводные сети подразделяются на несколько категорий: • беспроводная персональная сеть (wireless personal-area network, PAN); • беспроводная локальная сеть (wireless lokal-area network, LAN); • беспроводная городская сеть (wireless metropolitan-area network, MAN); • беспроводная глобальная сеть (wireless wide-area network, WAN). Эти термины являются лишь расширением обобщенных форм проводных сетей (таких как LAN и WAN), использовавшихся задолго до появления беспроводных сетей. В табл. 1.1 дана краткая характеристика разновидностей таких сетей. Каждый тип беспроводной сети имеет дополняющие другие сети особенности, благодаря чему удовлетворяются различные предъявляемые к сетям требования. Таблица 1.1. Разновидности беспроводных сетей Сфера Область Тип Характеристики Стандарты действия применения Персональная беспроводная есть В непосредственно Средние й близости от пользователя Bluetooth. IEEE 802.15. IRDA’ Замена кабелей периферийных устройств Локальные беспроводные сети В пределах зданий и кампусов Высокие IEEE 80215, Wi-Fi. HiperLAN Мобильные расширения проводных сетей Региональные беспроводные сети в пределах города высокие l тентованные. ШЕЕ 802.16. WIMAX Фиксированная ьеспроводная связь между зданиями и предприятиями и Internet Низкие CDPD1 и сотовые системы Мобильный доступ к телефонной связи Internet вне помещений поколений 2, 2.5 и 3 Глобальные беспроводные сети По всему миру Беспроводные персональные сети Беспроводные персональные сети отличаются небольшими расстояниями передачи (до 17м, или 50 футов), что делает их идеальными для развертывания в небольшом помещении или в "персональной зоне" (рис. 1.1). Характеристики беспроводных персональных сетей средние, скорость их передачи не превышает обычно 2 Мбит/с. Во многих ситуациях они с успехом заменяют кабельные сети. Рис. 1.1. Беспроводные персональные сети обеспечивают взаимодействие компьютерных устройств в непосредственной близости от пользователя Такая сеть могла бы обеспечивать, например, беспроводную синхронизацию данных на PDA пользователя и на его ПК или ноутбуке. Аналогичным образом может обеспечиваться беспроводное соединение с принтером. Исчезновение путаницы проводов, связывающих компьютер с периферийными устройствами – достаточно серьезное преимущество, благодаря которому значительно облегчается начальная установка и последующее, при необходимости, перемещение периферийных устройств. Малая потребляемая мощность и компактные размеры большинства приемопередатчиков (transceiver) беспроводных персональных сетей делают возможной эффективную поддержку небольших пользовательских устройств, снабженных микропроцессорами, а также позволяет компьютерному устройству длительное время работать от одной батареи (или аккумулятора). Это, в свою очередь, избавляет пользователя от необходимости часто подзаряжать аккумулятор. Кроме того, малая потребляемая мощность обусловила успешное внедрение беспроводных персональных сетей в сотовые телефоны, PDA и головные гарнитуры. Телефон может непрерывно взаимодействовать с адресной книгой PDA, так что все номера телефонов в менеджере контактов пользователя оказываются доступны, когда он собирается кому-нибудь позвонить. Можно также использовать наушники во время телефонного разговора или для прослушивания музыки, записанной в цифровом виде на PDA. Благодаря этому во время работы или развлечений можно не опасаться зацепиться за что-нибудь проводами. Персональные беспроводные сети могут обеспечить взаимодействие ноутбуков и настольных ПК с целью совместного использования подключений к Internet и приложений. Это подходит для сетей, сфера действия которых ограничена одной комнатой. А беспроводные локальные сети эффективнее для организации беспроводных соединений в пределах здания. В большинстве беспроводных персональных сетей для передачи информации используются радиоволны. Так, спецификация на технологию Bluetooth регламентиру ет работу беспроводных персональных сетей в диапазоне 2,4 ГГц на расстояние до 50 футов со скоростью передачи до 2 Мбит/с. Более того, Институт инженеров по электротехнике и электронике США (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) включил в свой стандарт 802.15 для персональных беспроводных сеть спецификацию Bluetooth. Эта технология обеспечивает надежное и долговременное решение для соединения компьютерных устройств в небольшой зоне. В некоторых беспроводных персональных сетях для передачи информации из одной точки в другую используется ИК-излучение. Спецификация Ассоциации передачи данных в ИК-диапазоне (Infrared Data Association, IrDA) регламентирует использование направленных ИК-лучей для передачи информации на расстояние до 1 м (3 футов) со скоростью до 4 Мбит/с. Преимущество такой передачи информации состоит в защищенности ее от радиопомех, но требование нахождения компьютерных устройств на расстоянии прямой видимости по отношению друг к другу накладывает существенные ограничения на размещение компонентов беспроводной сети. Офисная перегородка, например, блокирует распространение ИК-сигнала, из-за чего беспроводные устройства можно использовать лишь в непосредственной близости одно от другого. Беспроводные локальные сети Беспроводные локальные сети обеспечивают высокие характеристики при передаче данных внутри и вне офисов, производственных помещений и зданий. Пользователи таких сетей обычно используют ноутбуки, ПК и PDA с большими экранами и процессорами, способными выполнять ресурсоемкие приложения. Эти сети вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к параметрам соединений компьютерными устройствами такого типа. В какой-нибудь фирме, например, беспроводная локальная сеть может быть развернута с целью обеспечения доступа к корпоративным приложениям с ноутбуков. В системах такого типа служащий может использовать сетевые службы, находясь в конференц-зале или в других помещениях здания, что позволяет ему эффективно выполнять свои обязанности. Беспроводные локальные сети легко обеспечивают характеристики, необходимые для бесперебойного выполнения высокоуровневых приложений. Так, пользователи этих сетей могут получать объемные вложения в сообщения электронной почты или потоковое видео с сервера. При скоростях передачи до 54 Мбит/с беспроводные локальные сети способны удовлетворять требования почти всех офисных или бытовых приложений. По своим характеристикам, компонентам, стоимости и выполняемым операциям эти сети похожи на традиционные проводные локальные сети типа Ethernet. Вследствие того, что адаптеры беспроводных локальных сетей уже встроены в большинство ноутбуков, многие провайдеры общедоступных беспроводных сетей начали предлагать беспроводные локальные сети для обеспечения мобильного широкополосного доступа к Internet. Пользователи ряда общедоступных беспроводных сетей в "горячих" зонах доступа, таких как аэропорты или гостиницы, могут отправлять и получать сообщения электронной почты или выходить в Internet за определенную плату (если данное учреждение не обеспечивает бесплатный доступ). Быстрый рост числа общедоступных беспроводных сетей делает Internet доступным для пользователей, находящихся в зонах скопления людей. Преобладающим для беспроводных локальных сетей является стандарт IEEE S02.ll, различные версии которого регламентируют передачу данных в диапазонах 2,4 и 5 ГГц. Основная проблема, связанная с этим стандартом, состоит в том, что в должной мере не обеспечивается взаимодействие устройств, соответствующих его различным версиям. Так, адаптеры компьютерных устройств беспроводных локальных сетей стандарта 802.11а не обеспечивают соединения с компьютерными устройствами, соответствующими стандарту 802.lib. Существуют и другие нерешенные вопросы, связанные со стандартом 802.11, например недостаточная степень безопасности. Для того чтобы как-то разрешить проблемы, связанные с применением устройств стандарта 802.11, организация "Альянс Wi-Fi" свела все его совместимые функции в единый стандарт, названный Wireless Fidelity (Wi-Fi). Если какое-то устройство беспроводных локальных сетей соответствует стандарту Wi-Fi, это практически гарантирует способность его совместной работы с другими устройствами, соответствующими стандарту Wi-Fi. Открытость стандарта Wi-Fi позволяет различным пользователям, применяющим разные платформы, работать в одной и той же беспроводной локальной сети, что чрезвычайно важно для общедоступных беспроводных локальных сетей. Беспроводные региональные сети Беспроводные региональные (городские) сети обслуживают зоны, по площади соответствующие городу. В большинстве случаев для выполнения приложений требуется фиксированное соединение, но иногда необходима мобильность. Например, в больнице такая сеть обеспечит передачу данных между основным корпусом и удаленными клиниками. Или энергетическая компания, используя ее в масштабах города, обеспечит доступ к нарядам на работу из различных его районов. Как результат, беспроводные региональные сети соединят существующие сетевые инфраструктуры воедино или позволят мобильным пользователям устанавливать соединения с уже существующей сетевой инфраструктурой. Поставщики услуг беспроводного Internet (Wireless Internet Service Provider, WISP) предоставляют в распоряжение клиентов беспроводные региональные сети в городах и сельской местности для обеспечения постоянных беспроводных соединений для домашних пользователей и компаний. Подобные сети имеют существенные преимущества перед обычными проводными соединениями (такими как цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line, DSL) и кабельные модемы), когда последние трудно установить. Они эффективны, когда ограничения, связанные с прокладкой проводных соединений, делают невозможным или слишком дорогим их применение. Характеристики беспроводных региональных сетей различны. Соединения между строениями с использованием ИК-технологии могут обеспечивать скорость передачи данных 100 Гбит/с и более, у радиоканалов скорость передачи до 100 кбит/с, но на расстояния свыше 30 км (20 миль). Реальные же характеристики зависят от того, какой именно выбор был сделан среди многих технологий и компонентов. Рынок предлагает множество патентованных решений для беспроводных региональных сетей, однако промышленность все же ориентируется на стандарты. Некоторые поставщики используют стандарт 802.11 в качестве основы создания беспроводных региональных сетей. Хотя системы этого стандарта оптимальны для удовлетворения требований, предъявляемым к сетям внутри зданий, они могут обеспечивать соединения и в масштабах города с использованием направленных антенн. Сейчас все большее число компаний предпочитают системы стандарта IEEE 802.16. Это относительно новый стандарт, а соответствующие ему изделия не так давно появились на рынке. Предлагая стандартизированные решения для беспроводных региональных сетей со скоростью передачи порядка нескольких Мбит/с и на приемлемые расстояния, стандарт 802.16 со временем может стать общепринятым для беспроводных региональных сетей. Беспроводные глобальные сети Беспроводные глобальные сети обеспечивают работу мобильных приложений с обеспечением доступа к ним в масштабе страны или даже континента. Руководствуясь экономическими соображениями, телекоммуникационные компании будут развертывать, повидимому, относительно дорогую инфраструктуру беспроводной глобальной сети, способной обеспечить соединения на больших расстояниях для множества пользователей. Затраты на подобное развертывание могут быть распределены среди всех пользователей, вследствие чего абонентская плата окажется невысокой. Беспроводные глобальные сети имеют почти неограниченную сферу действия, что обеспечивается за счет кооперации многих телекоммуникационных компаний. Доступные соглашения по роумингу между телекоммуникационными операторами делают возможным установление протяженных соединений, обеспечивающих быструю передачу данных мобильным пользователем. Заплатив одному поставщику телекоммуникационных услуг, он может получить ограниченный доступ к ряду служб Internet через беспроводную глобальную сеть практически из любой точки мира. Характеристики беспроводной глобальной сети относительно невысокие, типичная скорость передачи данных составляет 56 кбит/с, иногда до 170 кбит/с. Это аналогично уровню, обеспечиваемому при связи по коммутируемым телефонным линиям посредством модемов. Однако уже созданы специальные Web-порталы, эффективно работающие с потоковой информацией при посредстве компактных устройств и сетей с низкими характеристиками. Скорость передачи данных в пересчете на одного пользователя беспроводных глобальных сетей относительно невысока, но в общем приемлема для небольших устройств (сотовых телефонов, PDA), которые имеют пользователи, нуждающиеся в связи через такую сеть. Меньшие размеры экрана и ограниченные вычислительные возможности сотовых телефонов не требуют высоких характеристик от сети. Передача видеоизображения на небольшой экран сотового телефона или PDA может состояться и при меньшей скорости передачи данных. Приложения, характерные для беспроводных глобальных сетей – это обеспечивающие доступ пользователей к Internet, передачу и прием сообщений электронной почты и доступ к корпоративным приложениям при нахождении пользователя вне дома или офиса. Абоненты могут, например, устанавливать соединения во время поездок в такси или прогулок по городу. Беспроводная глобальная сеть может-осуществляться из мест, откуда нет доступа к сетям других типов, благодаря чему пользователь не регламентирован территориально. Существует несколько конкурирующих, постепенно развивающихся стандартов по беспроводным глобальным сетям. Один из наиболее старых – это стандарт на сотовую систему передачи пакетов цифровых данных (Cellular Digital Packet Data, CDPD). Эта технология обеспечивает передачу данных через аналоговую систему сотовой телефонной связи со скоростью 19,2 кбит/с. Некоторые компании США все еще предлагают услуги CDPD, но эта система уже выходит из употребления, поскольку телекоммуникационные операторы переходят на системы телекоммуникаций третьего и четвертого поколения, способные передавать данные со скоростями, измеряемыми уже в Мбит/с. Одна из проблем, связанных с внедрением технологии беспроводных глобальных сетей, состоит в том, что сама по себе она не способна обеспечить связь для пользователей, находящихся в каких-либо помещениях. Поскольку элементы инфраструктуры этих сетей находятся вне помещений, радиосигналы в зданиях значительно ослабляются. В результате пользователи беспроводных глобальных сетей, находящиеся внутри зданий, могут вообще потерять возможность установления соединения или, в лучшем случае, характеристики связи значительно ухудшатся. Некоторые телекоммуникационные компании устанавливают системы беспроводных глобальных сетей внутри зданий, но обходится это дорого и технически не всегда оправданно. Беспроводные персональные, локальные, региональные и глобальные сети являются взаимодополняющими и удовлетворяют различным требованиям. Однако иногда бывает трудно отличить одну сеть от другой. Например, беспроводная локальная сеть внутри здания может обеспечивать соединение между PDA и ПК одного и того же пользователя, аналогично тому, что выполняет персональная беспроводная сеть. Четко установить различие между беспроводными сетями разных типов позволяют применяемые технологии и стандарты. Беспроводные персональные сети в основном соответствуют стандарту IEEE 802.15 (или Bluetooth), беспроводные локальные сети – стандарту IEEE 802.11 (или Wi-Fi) и т.д. Главное при развертывании беспроводной сети – это полностью определить предъявляемые к системе требования и выбрать тот ее тип, который наилучшим образом этим требованиям соответствует. Если говорить о перспективах с точки зрения пользователя, то границы между беспроводными сетями разных типов должны быть стерты. Уже появляются платы интерфейса сети компьютерных устройств, которые поддерживают работу в беспроводных сетях разных типов. Например, у туриста или бизнесмена может быть современный сотовый телефон, обеспечивающий взаимодействие как с беспроводной локальной, так и с беспроводной глобальной сетью. Это обеспечивает бесшовное беспроводное соединение, в ходе которого в здании аэропорта пользователь работает со своей электронной почтой, используя общедоступную беспроводную локальную сеть, а затем по дороге в гостиницу взаимодействует уже с одной из служб, основанных на передаче данных через сотовую сеть. Основные конфигурации В большинстве случаев беспроводная сеть – это просто расширение какой-нибудь уже существующей проводной сети. В этом случае служащий может выполнять определенное задание, находясь в оптимальном для этого месте, а не там, где у него есть доступ к проводной сети. Например, работник склада может использовать беспроводное ручное устройство для сканирования предметов, разгружаемых из грузовика. Это намного эффективнее, чем записывать их номера с последующим введением их в настольный терминал, находящийся где-то в помещении, далеко от погрузочной платформы. Другая ситуация – специализированная беспроводная сеть, полностью устраняющая необходимость в каких-то проводах. Так, спасательная команда, прибывшая на место авиакатастрофы, может быстро развернуть временную беспроводную сеть непосредственно на месте катастрофы. Все компьютерные устройства спасателей будут напрямую взаимодействовать друг с другом. Это даст им возможность иметь централизованный доступ к важной информации, касающейся катастрофы. Приложения, доступные через беспроводные сети, могут предоставляться пользователям приватным образом или открыто. Компания или владелец дома, приобретающий и устанавливающий беспроводную сеть для частного пользования, предоставляет ограниченный доступ к такой сети. Как правило, доступ предоставляется только служащим компании или квартиросъемщикам. Для того чтобы только авторизованные пользователи могли подключиться к такой сети и воспользоваться ее услугами, компании обычно применяют меры защиты. С другой стороны, общедоступные сети обеспечивают открытый доступ к своим ресурсам. Например, бизнесмен может воспользоваться общедоступной беспроводной сетью аэропорта для выхода в Internet в ожидании посадки в самолет. Эти "горячие" зоны свободного доступа появились уже во многих аэропортах, гостиницах и даже кафе, т.е. там, где в этом есть потребность. Доступ в Internet Одна из основных причин для развертывания беспроводной сети – необходимость совместного использования одного высокоскоростного канала доступа в Internet. При таком типе конфигурирования сети каждый член семьи или небольшой фирмы может использовать одно на всех высокоскоростное соединение, обеспечиваемое кабельным модемом или цифровой абонентской линией (Digital Subscriber Line, DSL). Такая практика общепринята и позволяет экономить средства, поскольку многие одновременно могут получать доступ в Internet, находясь при этом в Любом уголке дома или офиса. Беспроводная сеть в такой ситуации имеет повышенную гибкость, потому что в любой момент в нее можно ввести новую-рабочую станцию, не заботясь о прокладке кабеля, а также перемещать с места на место включенные в беспроводную сеть ПК, принтеры и серверы.Компания, имеющая беспроводную сеть, дает возможность служащим с других площадок, а также визитерам с беспроводными компьютерными устройствами быстро подключаться к сети при минимальном конфигурировании. Использование ресурсов Internet при нахождении вне стен своего офиса или дома значительно повышает производительность. Визитер может просто открыть свой ноутбук и получить доступ к электронной почте или нужному ему приложению. Службы определения местонахождения При использовании беспроводных сетей появляется возможность определять местонахождение людей или предметов. Отслеживание перемещающихся объектов позволяет реализовать несколько интересных приложений. Координаты пользователя могут вводиться в серверную программу, обеспечивающую какой-нибудь сервис, основанный на местонахождении. Например, провайдер беспроводной локальной сети может использовать эту концепцию для предоставления соответствующей моменту информации туристам, прибывающим в аэропорт или на железнодорожную станцию. Подобная информация может заключаться в отображении местонахождения туриста на плане маршрута таким образом, что он найдет путь к сектору отправления в аэропорту или в ближайший ресторан. В больницах служба определения местонахождения (location-based service) может быть использована для отслеживания перемещений врачей и медсестер. Это позволит администрации в случае экстренной необходимости направить к больному нужного специалиста. Системы, реализующие услуги определения местонахождения через беспровод ные локальные сети, появляются и на потребительском рынке. Так, весьма полезными они могут оказаться для отслеживания местонахождения детей в парке с аттракционами. Представьте, что ребенок начал гулять по такому парку самостоятельно и потерялся. Благодаря этой системе родители смогут легко найти своего ребенка в толпе отдыхающих. Скрытая в одежде ребенка метка поможет предотвратить такое ужасное преступление, как похищение ребенка. 7.2 Технология Bluetooth Основные понятия и история развития Bluetooth (от слов англ. blue – синий и tooth – зуб;), блюту́с – производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен файлами и информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, интернет-планшеты, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры и акустические системы на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся друг от друга в радиусе около 10 м в старых версиях протокола и до 400 м начиная с версии Bluetooth 5. Дальность сильно зависит от преград и помех, даже в одном помещении. Слово Bluetooth – адаптация на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Так прозвали когда-то короля викингов Харальда I Синезубого, жившего в Дании около тысячи лет назад. Прозвище этот король получил за тёмный передний зуб. Харальд I правил в X веке Данией и частью Норвегии и объединил враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт. Хотя «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», во времена викингов оно также могло означать «чёрного цвета». Работы по созданию Bluetooth начал производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson в 1994 году как беспроводную альтернативу кабелям RS-232. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой. Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), 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). Класс Максимальная мощность, Максимальная мощность, Радиус действия, мВт дБм м 1 100 20 100 2 2,5 4 10 3 1 менее 10 Принцип действия Bluetooth Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISMдиапазоне (Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4 –2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты ( Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое. Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же – 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-tomultipoint». Спецификации Bluetooth 1.0. 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, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации. Bluetooth 1.1 В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0 B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). Bluetooth 1.2 Главные улучшения включают следующее: • • • • • • • Быстрое подключение и обнаружение. Адаптивная перестройка частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам. Более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 1 Мбит/с. Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных. В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART. Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005. Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP. Bluetooth 2.0 + EDR Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) 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 радиотехнологий для передачи данных. Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4DQPSK и 8DPSK. Они имеют бо́льшие скорости передачи данных по воздуху – 2 и 3 Мбит/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 TyTN Pocket 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 дополнительной полосы пропускания. Снижение потребления энергии благодаря уменьшению нагрузки. из-за Bluetooth 2.1 2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3 –10 раз. Кроме того, обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication. Bluetooth 2.1 + EDR В августе 2008 года Bluetooth SIG представила версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется. Bluetooth 3.0 + HS 3.0+HS была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 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 несовместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n. Bluetooth 4.0 Bluetooth SIG утвердил спецификацию Bluetooth 4.0 30 июня 2010 года. Bluetooth 4.0 включает в себя протоколы: • • Классический Bluetooth, Высокоскоростной Bluetooth Bluetooth с низким энергопотреблением. • Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а Классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth. Частоты работы системы Bluetooth (мощность не более 0,0025 Вт). Полоса частот: 2 402 000 000 – 2 480 000 000 Гц (2,402 ГГц – 2,48 ГГц) Протокол Bluetooth с низким энергопотреблением предназначен, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). Низкое энергопотребление достигается за счёт использования особого алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8 –27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование. Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п. Первый чип с поддержкой Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года. В настоящее время выпускается большое количество мобильных устройств с поддержкой этого стандарта. Bluetooth 4.1 В конце 2013 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных. Bluetooth 4.2 3 декабря 2014 Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 4.2. Основные улучшения – повышение конфиденциальности и увеличение скорости передачи данных. Bluetooth 5.0 16 июня 2016 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 5.0. Изменения коснулись в основном режима с низким потреблением и высокоскоростного режима. Радиус действия увеличен в 4 раза, скорость увеличена в 2 раза. Bluetooth 5.1 От предыдущих версий Bluetooth 5.1 отличается тем, что с ней у пользователей есть возможность определять местоположение и направление с максимальной точностью. Bluetooth 5.2 Спецификация опубликована SIG 6 января 2020 года. Новые функции: • • • Улучшенная версия протокола атрибутов ATT – Enhanced Attribute protocol (EATT), который более безопасен, так как использует только шифрованное соединение. EATT поддерживает параллельные транзакции, а также позволяет изменять блок максимальной передачи ATT (MTU) во время соединения. В EATT добавлен новый L2CAP режим безопасного управления потоком – Enhanced Credit Based Flow Control Mode. Новый LE Power Control – позволяет устройствам динамически оптимизировать мощность для связи между подключенными устройствами. Приемники Bluetooth LE теперь могут отслеживать уровень сигнала и запрашивать изменения уровня мощности передачи в подключенных устройствах, как правило, для поддержания оптимального уровня сигнала как с точки зрения качества сигнала, так и с точки зрения снижения энергопотребления. LE Isochronous Channels – функция для поддержки нового стандарта передачи аудио LE Audio, следующего поколения Bluetooth аудио. Позволяет передавать данные с привязкой ко времени на одно или несколько устройств для синхронизированной по времени обработки (пример: беспроводные наушники с раздельными приёмниками), а так же для параллельной трансляции на неограниченное количество устройств 7.3 Технология Wi-Fi Основные понятия и история развития Wi-Fi – технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11. Логотип Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Alliance. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводная привязанность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Wi-Fi был создан в 1998 году в лаборатории радиоастрономии CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) в Канберре, Австралия. Создателем беспроводного протокола обмена данными является инженер Джон О’Салливан (John O'Sullivan (engineer)). Термин «Wi-Fi» изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя «намёком» на Hi-Fi (High Fidelity – высокая точность). Несмотря на то, что поначалу в некоторых прессрелизах WECA фигурировало словосочетание «Wireless Fidelity» («беспроводная точность»), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин «Wi-Fi» никак не расшифровывается. 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 600 Мбит/с. С 2011 по 2013 разрабатывался стандарт IEEE 802.11ac, стандарт принят в январе 2014 года. Скорость передачи данных при использовании 802.11ac может достигать нескольких Гбит/с. Большинство ведущих производителей оборудования уже анонсировали устройства, поддерживающие данный стандарт. 27 июля 2011 года Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) выпустил официальную версию стандарта IEEE 802.22. Системы и устройства, поддерживающие этот стандарт, позволяют принимать данные на скорости до 22 Мбит/с в радиусе 100 км от ближайшего передатчика. В октябре 2018 года «Wi-Fi Alliance» представил новые названия и значки для Wi-Fi: 802.11n – «Wi-Fi 4», 802.11ac – «Wi-Fi 5», 802.11ax – «Wi-Fi 6». 3 января 2020 года представлено обозначения для устройств, способные работать на частоте 6 ГГц – «Wi-Fi 6E». Поколения Wi-Fi Год создания Макс. скорость передачи 802.11a 1999 до 54 Мбит/с 802.11b 1999 до 11 Мбит/с 802.11g 2003 до 54 Мбит/с 802.11h 2003 802.11i 2004 802.11-2007 2007 802.11n 2009 802.11-2012 2012 802.11ad 2012 802.11ac 2013 802.11af 2014 802.11-2016 2016 802.11ah 2016 802.11ai 2016 802.11aj 2018 802.11aq 2018 802.11ay 2018 802.11ax 2019 Имя до 600 Мбит/с (4 антенны) Средн. скорость передачи Поколение около 20 Мбит/с до 150 Мбит/с (1 антенна) Wi-Fi 4 до 6,77 Гбит/с при 8x MU-MIMO-антеннах Wi-Fi 5 до 11 Гбит/с Wi-Fi 6 Принцип работы Обычно схема сети Wi-Fi содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с – наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Более подробно принцип работы описан в официальном тексте стандарта. Однако стандарт не описывает всех аспектов построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi. Поэтому каждый производитель оборудования решает эту задачу по-своему, применяя те подходы, которые он считает наилучшими с той или иной точки зрения. Поэтому возникает необходимость классификации способов построения беспроводных локальных сетей. По способу объединения точек доступа в единую систему можно выделить: • Автономные точки доступа (называются также самостоятельные, децентрализованные, умные) • Точки доступа, работающие под управлением контроллера (называются также «легковесные», централизованные) • Бесконтроллерные, но не автономные (управляемые без контроллера) По способу организации и управления радиоканалами можно выделить беспроводные локальные сети: • • • Со статическими настройками радиоканалов С динамическими (адаптивными) настройками радиоканалов Со «слоистой» или многослойной структурой радиоканалов Преимущества Wi-Fi Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, что может уменьшить стоимость развёртывания и/или расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями. • Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам. • Устройства Wi-Fi широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi. • Мобильность. Вы больше не привязаны к одному месту и можете пользоваться интернетом в комфортной для вас обстановке. • В пределах зоны Wi-Fi в интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д. • Излучение от устройств Wi-Fi в момент передачи данных на порядок (в 10 раз) меньше, чем у сотового телефона. Недостатки Wi-Fi • В диапазоне 2,4 GHz работает множество устройств, таких как устройства, поддерживающие Bluetooth, и др., и даже микроволновые печи, что ухудшает электромагнитную совместимость. • Производителями оборудования указывается скорость на L1 (OSI), в результате чего создаётся иллюзия, что производитель оборудования завышает скорость, но на самом деле в Wi-Fi весьма высоки служебные «накладные расходы». Получается, что скорость передачи данных на L2 (OSI) в сети Wi-Fi всегда ниже заявленной скорости на L1 (OSI). Реальная скорость зависит от доли служебного трафика, которая зависит уже от наличия между устройствами физических преград (мебель, стены), наличия помех от других беспроводных устройств или электронной аппаратуры, расположения устройств относительно друг друга и т. п. • Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах не одинаковы. 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, Белоруссия и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора. • Как было упомянуто выше – в России точки беспроводного доступа, а также адаптеры Wi-Fi с ЭИИМ, превышающей 100 мВт (20 дБм), подлежат обязательной регистрации. • Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Новые устройства поддерживают более совершенные протоколы шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало возможным • применение более безопасной схемы связи, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями. Многие организации используют дополнительное шифрование (например VPN) для защиты от вторжения. На данный момент основным методом взлома WPA2 является подбор пароля и активные атаки KRACK, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля. В режиме точка-точка (Ad-hoc) стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP. Беспроводные технологии в промышленности] Для использования в промышленности технологии Wi-Fi предлагаются пока ограниченным числом поставщиков. Так Siemens Automation & Drives предлагает Wi-Fi-решения для своих контроллеров SIMATIC в соответствии со стандартом IEEE 802.11g в свободном ISM-диапазоне 2,4 ГГц и обеспечивающим максимальную скорость передачи 54 Мбит/с. Данные технологии применяются для управления движущимися объектами и в складской логистике, а также в тех случаях, когда по какой-либо причине невозможно прокладывать проводные сети Ethernet. Использование устройств Wi-Fi на предприятиях обусловлено высокой помехоустойчивостью, что обуславливает их применение на предприятиях с множеством металлических конструкций. В свою очередь Wi-Fi приборы не создают существенных помех для узкополосных радиосигналов. В настоящее время технология широко применяется на удалённых или опасных производственных объектах – то есть там, где нахождение оперативного персонала связано с повышенной опасностью или вовсе затруднительно. К примеру, для задач телеметрии на нефтегазодобывающих предприятиях, а также для контроля за перемещением персонала и транспортных средств в шахтах и рудниках, для определения нахождения персонала в аварийных ситуациях. Wi-Fi и телефоны сотовой связи Некоторые считают, что Wi-Fi и подобные ему технологии со временем могут заменить сотовые сети, такие как GSM. Препятствиями для такого развития событий в ближайшем будущем являются отсутствие глобального роуминга, ограниченность частотного диапазона и сильно ограниченный радиус действия Wi-Fi. Более правильным выглядит сравнение сотовых сетей с другими стандартами беспроводных сетей, таких как UMTS, CDMA или WiMAX. Тем не менее, Wi-Fi пригоден для использования VoIP в корпоративных сетях или в среде SOHO. Первые образцы оборудования появились уже в начале 2000-х, однако на рынок они вышли только в 2005 году. Тогда такие компании, как Zyxel, UT Starcomm, Samsung, Hitachi и многие другие, представили на рынок VoIP Wi-Fi-телефоны по «разумным» ценам. В 2005 году ADSL ISP провайдеры начали предоставлять услуги VoIP своим клиентам (например нидерландский ISP XS4All). Когда звонки с помощью VoIP стали очень дешёвыми, а зачастую вообще бесплатными, провайдеры, способные предоставлять услуги VoIP, получили возможность открыть новый рынок – услуг VoIP. Телефоны GSM с интегрированной поддержкой возможностей Wi-Fi и VoIP начали выводиться на рынок, и потенциально они могут заменить проводные телефоны. В настоящий момент непосредственное сравнение Wi-Fi и сотовых сетей необоснованно. Телефоны, использующие только Wi-Fi, имеют весьма ограниченный радиус действия, поэтому развёртывание таких сетей обходится очень дорого. Тем не менее, развёртывание таких сетей может быть наилучшим решением для локального использования, например, в корпоративных сетях. Однако устройства, поддерживающие несколько стандартов, могут занять значительную долю рынка. Стоит заметить, что при наличии в данном конкретном месте покрытия как GSM, так и Wi-Fi, экономически намного более выгодно использовать Wi-Fi, разговаривая посредством сервисов интернеттелефонии. Например, клиент Skype давно существует в версиях как для смартфонов, так и для КПК. Разрешение на использование частот Юридический статус Wi-Fi различен в разных странах. В США диапазон 2,5 ГГц разрешается использовать без лицензии, при условии, что мощность не превышает определённую величину, и такое использование не создаёт помех тем, кто имеет лицензию. В России, в соответствии с решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) от 7 мая 2007 года № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия» и от 20 декабря 2011 года № 11-13-07-1, использование Wi-Fi без получения частного разрешения на использование частот возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий в полосах 2400 –2483,5 МГц (стандарты 802.11b и 802.11g; каналы 1 –13) и 5150-5350 МГц (802.11a и 802.11n; каналы 34-64). Для легального использования внеофисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот (как в полосе 2,4 ГГц, так и 5 ГГц) на основании заключения экспертизы о возможности использования заявленных РЭС и их электромагнитной совместимости (ЭМС) с действующими и планируемыми для использования РЭС. В Москве 29 февраля 2016 было принято решение об использовании в России частотного диапазона 57 – 66 ГГц (каналы 1-4) для устройств стандарта IEEE 802.11ad (WiGig). Принятое решение вносит изменения в решение ГКРЧ от 7 мая 2007 года № 07-20-03-001 «О выделении полос радиочастот устройствам малого радиуса действия»https://ru.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi. Решением ГКРЧ также разрешено использование нового диапазона частот 5650 –5850 МГц (каналы 132 – 165) устройствами стандарта IEEE 802.11aс (Wi-Fi). Это позволит использовать канал до 160 МГц внутри зданий при развёртывании сетей Wi-Fi стандарта 802.11aс. Также для диапазонов 5150 –5350 МГц и 5650 – 5850 МГц вдвое была повышена допустимая мощность излучения. Теперь она составляет 10 мВт на 1 МГц. Радиоэлектронные средства подлежат регистрации в Роскомнадзоре в соответствии с установленным порядком. В соответствии c Постановлением Правительства Российской Федерации от 13 октября 2011 года № 837 «О внесении изменений в Постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 года № 539» не подлежат регистрации, в частности, (из п. 13, 23, 24 приложения): • • • • Пользовательское (оконечное) оборудование передающее, включающее в себя приемное устройство, малого радиуса действия стандартов IEEE 802.11, IEEE 802.11.b, IEEE 802.11.g, IEEE 802.11.n (Wi-Fi), работающее в полосе радиочастот 2400 –2483,5 МГц, с допустимой мощностью излучения передатчика не более 100 мВт, в том числе встроенное либо входящее в состав других устройств; Пользовательское (оконечное) оборудование передающее, включающее в себя приемное устройство, малого радиуса действия стандартов IEEE 802.11а, IEEE 802.11.n (Wi-Fi), работающее в полосах радиочастот 5150 –5350 МГц и 5650 –6425 МГц, с допустимой мощностью излучения передатчика не более 100 мВт, в том числе встроенное либо входящее в состав других устройств; Устройства малого радиуса действия, используемые внутри закрытых помещений, в полосе радиочастот 5150 –5250 МГц с максимальной эквивалентной изотропно излучаемой мощностью передатчика не более 200 мВт; Устройства малого радиуса действия в сетях беспроводной передачи данных внутри закрытых помещений в полосе радиочастот 2400 – 2483,5 МГц с максимальной эквивалентной изотропно излучаемой мощностью передатчика не более 100 мВт при использовании псевдослучайной перестройки рабочей частоты. Международные проекты Другая бизнес-модель состоит в соединении уже имеющихся сетей в новые. Идея состоит в том, что пользователи будут разделять свой частотный диапазон через персональные беспроводные маршрутизаторы, комплектующиеся специальным ПО. Например FON – испанская компания, созданная в ноябре 2005 года. Сейчас сообщество объединяет более 2 000 000 пользователей в Европе, Азии и Америке и быстро развивается. Пользователи делятся на три категории: • linus – выделяющие бесплатный доступ в Интернет, • bills – продающие свой частотный диапазон, • aliens – использующие доступ через bills. Таким образом, система аналогична пиринговым сервисам. Несмотря на то, что FON получает финансовую поддержку от таких компаний, как Google и Skype, лишь со временем будет ясно, будет ли эта идея действительно работать. Сейчас у этого сервиса есть три основные проблемы. Первая заключается в том, что для перехода проекта из начальной стадии в основную требуется больше внимания со стороны общественности и СМИ. Нужно также учитывать тот факт, что предоставление доступа к вашему интернет-каналу другим лицам может быть ограничено вашим договором с интернет-провайдером. Поэтому интернет-провайдеры будут пытаться защитить свои интересы. Так же, скорее всего, поступят звукозаписывающие компании, выступающие против свободного распространения MP3. Израильская компания WeFi создала общую сеть социальной направленности, с возможностью поиска сетей Wi-Fi и общения между пользователями. Программа и система в целом была создана под руководством Йосси Варди (Yossi Vardi), одного из создателей компании Mirabilis, и протокола ICQ. В Wireless Leiden разработали собственное программное обеспечение для маршрутизации под названием LVrouteD для объединения Wi-Fi-сетей, построенных на полностью беспроводной основе. Бо́льшая часть сетей построена на основе ПО с открытым кодом, или публикуют свою схему под открытой лицензией. (превращает любой ноутбук с установленным Wi-Fi-модулем в открытый узел Wi-Fi-сети). Также следует обратить внимание на netsukuku – Разработка всемирной бесплатной mesh-сети. Некоторые небольшие страны и муниципалитеты уже обеспечивают свободный доступ к хот-спотам WiFi и доступ к Интернету через Wi-Fi по месту жительства для всех. Например, Королевство Тонга и Эстония, которые имеют большое количество свободных хот-спотов Wi-Fi по всей территории страны. В Париже OzoneParis предоставляет свободный доступ в Интернет неограниченно всем, кто способствует развитию Pervasive Network, предоставляя крышу своего дома для монтажа оборудования Wi-Fi. Unwire Jerusalem – это проект установки свободных точек доступа Wi-Fi в крупных торговых центрах Иерусалима. Многие университеты обеспечивают свободный доступ к Интернету через Wi-Fi для своих студентов, посетителей и всех, кто находится на территории университета. Тем не менее, есть и третья подкатегория сетей, созданных сообществами и организациями, такими как университеты, где свободный доступ предоставляется членам сообщества, а тем, кто в него не входит, доступ предоставляется на платной основе. Пример такого сервиса – сеть Sparknet в Финляндии. Sparknet также поддерживает OpenSparknet – проект, в котором люди могут делать свои собственные точки доступа частью сети Sparknet, получая от этого определённую выгоду. В последнее время коммерческие Wi-Fi-провайдеры строят свободные хот-споты Wi-Fi и хот-зоны. Они считают, что свободный Wi-Fi-доступ привлечёт новых клиентов и инвестиции вернутся. Бесплатный доступ к Интернету через Wi-Fi Независимо от исходных целей (привлечение клиентов, создание дополнительного удобства или чистый альтруизм) во всём мире и в России, в том числе, растёт количество бесплатных хот-спотов, где можно получить доступ к наиболее популярной глобальной сети (Интернет) совершенно бесплатно. Это могут быть и крупные транспортные узлы (такие хот-спот зоны, например, уже находятся на станциях метро в различных городах мира, таких как : Лондон, Париж, Нью-Йорк, Токио, Сеул, Сингапур, Гонконг. В Москве хот-споты расположены непосредственно в вагонах метро и прочих видах общественного транспорта), где подключиться можно самостоятельно в автоматическом режиме, и места общественного питания, где для подключения необходимо попросить карточку доступа с паролем у персонала, и даже просто территории городского ландшафта, являющиеся местом постоянного скопления людей. Стандартами Wi-Fi не предусмотрено шифрования передаваемых данных в открытых сетях. Это значит, что все данные, которые передаются по открытому беспроводному соединению, могут быть прослушаны злоумышленниками при помощи программ-снифферов. К таким данным могут относиться пары логин/пароль, номера банковских счетов, пластиковых карт, конфиденциальная переписка. Поэтому при использовании бесплатных хот-спотов не следует передавать в Интернет подобные данные. Первые хот-зоны в Московском метрополитене, охватывающие поезда Кольцевой линии, были запущены совместно с оператором сотовой связи «МТС» 23 марта 2012 года. Первые месяцы интернет работал в тестовом режиме со скоростью 7,2 Мбит/с. В 2013 году московский метрополитен провел конкурс при поддержке Правительства Москвы на установку соединения Wi-Fi на всех станциях метрополитена. Конкурс выиграла компания ЗАО «Максима Телеком» и вложила в создание беспроводной сети в метрополитене 1,8 млрд рублей. Эта Wi-Fi-сеть называется MT_Free. Ежедневно этой сетью пользуется 1,2 млн человек. В начале 2015 года к сети Wi-Fi в метро подключилось более 55 млн уникальных пользователей. Поезда Московского метрополитена, в отличие от других стран мира, где точки доступа в интернет находятся только на станциях или в туннелях, оснащены индивидуальным Wi-Fi-роутером. В 2015 году Wi-Fi стал появляться не только в вагонах электропоездов, но и на эскалаторах, переходах и в вестибюлях станций метро. В 2015 году хот-зоны с длительностью сессии интернет-соединения в 25 минут появились на более чем 100 остановках общественного транспорта в Москве. Сеть подключения называется Mosgortrans_Free. Скорость интернет-соединения составляет 10 Мбит/с. За 2015 год на остановках вышло в сеть более 70 тысяч уникальных пользователей. После принятия ФЗ-№ 97 от 5 мая 2014 года для подключения к Wi-Fi на остановках общественного транспорта или в метрополитене нужно пройти идентификацию с помощью портала Госуслуги или SMS. На конец 2015 года было оборудовано беспроводным интернетом ещё 300 остановок. 7.4 Технология WiMAX История развития и основные понятия WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – телеком-муникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN (WiMAX следует считать жаргонным названием, так как это не технология, а название форума, на котором Wireless MAN был согласован). Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum – организацией, которая была основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии WiMAX. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным телефонным линиям и DSL». Максимальная скорость – до 1 Гбит/сек на ячейку. WiMAX подходит для решения следующих задач: • • • • • Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета. Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL. Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг. Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению. Создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы), как это имеет место в системе SCADA. 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 городов. Проблема последней мили всегда была актуальной задачей для связистов. К настоящему времени появилось множество технологий последней мили, и перед любым оператором связи стоит задача выбора технологии, оптимально решающей задачу доставки любого вида трафика своим абонентам. Универсального решения этой задачи не существует, у каждой технологии есть своя область применения, свои преимущества и недостатки. На выбор того или иного технологического решения влияет ряд факторов, в том числе: • • • • • стратегия оператора, целевая аудитория, предлагаемые в настоящее время и планируемые к предоставлению услуги, размер инвестиций в развитие сети и срок их окупаемости, уже имеющаяся сетевая инфраструктура, ресурсы для её поддержания в работоспособном состоянии, время, необходимое для запуска сети и начала оказания услуг. У каждого из этих факторов есть свой вес, и выбор той или иной технологии принимается с учётом всех их в совокупности. Фиксированный и мобильный вариант WiMAX Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, так и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. А потому WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта IEEE 802.16 e и d, практически несовместимы. Краткие характеристики каждой из версий приведены ниже. 802.16-2004 (известен также как 802.16d, фиксированный WiMAX и WiMAXpre) – спецификация, утвержденная в 2004 году. Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой 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. 802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX) – спецификация, утвержденная в 2005 году. Это– новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16d). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, idle mode и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. 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». В Казахстане реализован проект FlyNet. 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 150 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. Широкополосный доступ Многие телекоммуникационные компании делают большие ставки на использование WiMAX для предоставления услуг высокоскоростной связи по следующим причинам: • • технологии семейства 802.16 позволят экономически более эффективно (по сравнению с проводными технологиями) не только предоставлять доступ в сеть новым клиентам, но и расширять спектр услуг и охватывать новые труднодоступные территории; беспроводные технологии многим более просты в использовании, чем традиционные проводные каналы. WiMAX и Wi-Fi сети просты в развёртывании и по мере необходимости легко масштабируемы. Этот фактор оказывается очень полезным, когда необходимо развернуть большую сеть в кратчайшие сроки. К примеру, WiMAX был использован для того, чтобы предоставить доступ в Сеть выжившим после цунами, произошедшего в декабре 2004 года в Индонезии (Aceh). Вся коммуникационная инфраструктура области была выведена из строя и требовалось оперативное восстановление услуг связи для всего региона. В сумме все эти преимущества позволят снизить цены на предоставление услуг высокоскоростного доступа в Интернет как для бизнес-структур, так и для частных лиц. Пользовательское оборудование Оборудование для использования сетей WiMAX поставляется несколькими производителями и может быть установлено как в помещении (устройства размером с обычный DSL-модем), так и вне его. Следует заметить, что оборудование, рассчитанное на размещение внутри помещений и не требующее профессиональных навыков, при установке, конечно, более удобно, однако способно работать на значительно меньших расстояниях от базовой станции, чем профессионально установленные внешние устройства. Поэтому оборудование, установленное внутри помещений, требует намного больших инвестиций в развитие инфраструктуры сети, так как подразумевает использование намного большего числа точек доступа. С изобретением мобильного WiMAX всё больший акцент делается на разработке мобильных устройств. В том числе специальных телефонных трубок (похожих на обычный мобильный смартфон), и компьютерной периферии (USB радиомодулей и PC card). Wi-Fi и WiMAX Сопоставления WiMAX и Wi-Fi далеко не редкость– термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты разработаны IEEE, оба начинаются с «802.»), а также обе технологии используют беспроводное соединение и используются для подключения к Интернету (каналу обмена данными). Но, несмотря на это, эти технологии направлены на решение совершенно различных задач. Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи Технология Стандарт Использование Пропускная способность Радиус действия Частоты Bluetooth v. 1.1 802.15.1 WPAN до 1 Мбит/с до 10 м 2,4 ГГц Bluetooth v. 2.0 802.15.3 WPAN до 2,1 Мбит/с до 100 м 2,4 ГГц Bluetooth v. 3.0 802.11 WPAN от 3 до 24 Мбит/с до 100 м 2,4 ГГц Wi-Fi 802.11aс WLAN до 1 Гбит/с до 300 м 5 ГГц Wi-Fi 802.11b WLAN до 11 Мбит/с до 300 м 2,4 ГГц Wi-Fi 802.11g WLAN до 54 Мбит/с до 300 м 2,4 ГГц Wi-Fi 802.11n WLAN до 300 Мбит/с (в перспективе до 600 Мбит/с) до 300 м 2,4—2,5 или 5,0 ГГц WiMax 802.16d WMAN до 75 Мбит/с 25-80 км 1,5—11 ГГц WiMax 802.16e Mobile WMAN до 40 Мбит/с 1—5 км 2,3-13,6 ГГц WiMax 2 802.16m WMAN, Mobile WMAN до 1 Гбит/с (WMAN), до 100 Мбит/с (Mobile WMAN) 120—150 км (стандарт в разработке) До 11 ГГц UWB 802.15.3a WPAN 110—480 Мбит/с до 10 м 7,5 ГГц от 20 до 250 кбит/с 1—100 м 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов), 868 МГц (один канал) до 15 Мбит/с от 5 до 50 сантиметров, односторонняя связь– до 10 метров Инфракрасное излучение ZigBee Инфракрасная линия связи • • • 802.15.4 IrDa WPAN WPAN WiMAX– это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с Интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению). Wi-Fi– это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон. WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения. Из-за дешевизны и простоты установки, Wi-Fi часто используется для предоставления клиентам быстрого доступа в Интернет различными организациями. Например, во многих кафе, отелях, вокзалах и аэропортах можно обнаружить бесплатную для посетителей точку доступа Wi-Fi. Принцип работы В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приёмником. Как уже говорилось выше, WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям. Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надёжность сети в целом. Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 имеет схожесть с традиционными GSM сетями (базовые станции действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки– допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).