«Беспроводные сети передачи данных»

Студент группы 10-ОЗИ
Зуйков М.О.

ВВЕДЕНИЕ

Повсеместное распространение беспроводных сетей, развитие инфраструктуры хот-спотов, появление мобильных технологий со встроенным беспроводным решением привело к тому, что конечные пользователи (не говоря уже о корпоративных клиентах) стали обращать все большее внимание на беспроводные решения. Такие решения рассматриваются, прежде всего, как средство развертывания мобильных и стационарных беспроводных локальных сетей и средство оперативного доступа в Интернет.
Рассмотрим основные классификации беспроводных сетей и наиболее перспективные технологии дальнейшего развития сетей.1
 

Беспроводные технологии

Беспроводные технологии — подкласс информационных технологий, служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.
В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.
Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий. 2
По дальности действия:
• Беспроводные персональные сети (WPAN — Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий — Bluetooth.
• Беспроводные локальные сети (WLAN — Wireless Local Area Networks). Примеры технологий — Wi-Fi.
• Беспроводные сети масштаба города (WMAN — Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий — WiMAX.
• Беспроводные глобальные сети (WWAN — Wireless Wide Area Network). Примеры технологий — CSD, GPRS, EDGE, EV-DO, HSPA.

Классификация по дальности действия

По топологии:
• «Точка-точка».
• «Точка-многоточка».
• «Ячеистая топология».

Wireless PAN
Беспроводные персональные сети (англ. Wireless personal area network, WPAN) — сети, стандарт которых разработан рабочей группой IEEE 802.15.
WPAN применяются для связи различных устройств, включая компьютерную, бытовую и оргтехнику, средства связи и т. д. Физический и Канальный уровни регламентируются стандартом IEEE 802.15. Радиус действия WPAN составляет от нескольких метров до нескольких десятков сантиметров. WPAN используется как для объединения отдельных устройств между собой так и для связи их с сетями более высокого уровня, например, глобальной сетью интернет.
WPAN может быть развёрнута с использованием различных сетевых технологий, например, Bluetooth, ZigBee и другими.3

Wireless LAN
Wireless LAN (англ. Wireless Local Area Network; WLAN) — беспроводная локальная сеть.
При таком способе построения сетей передача данных осуществляется через радиоэфир; объединение устройств в сеть происходит без использования кабельных соединений.
Наиболее распространенными на сегодняшний день способами построения являются Wi-Fi и WiMAX.4

Wireless MAN
WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) — беспроводные сети масштаба города. Предоставляют широкополосный доступ к сети через радиоканал.
Стандарт IEEE 802.16, опубликованный в апреле 2002 года, описывает wireless MAN Air Interface. 802.16 — это так называемая технология «последней мили», которая использует диапазон частот от 10 до 66 GHz. Так как это сантиметровый и миллиметровый диапазон, то необходимо условие «прямой видимости». Стандарт поддерживает топологию point-to-multipoint, технологии frequency-division duplex (FDD) и time-division duplex (TDD), с поддержкой quality of service (QoS). Возможна передача звука и видео. Стандарт определяет пропускную способность 120 Мбит/с на каждый канал в 25 MHz.
Стандарт 802.16a последовал за стандартом 802.16. Он был опубликован в апреле 2003 и использует диапазон частот от 2 до 11 GHz. Стандарт поддерживает ячеистую топологию (mesh networking). Стандарт не накладывает условие «прямой видимости».5

Wireless WAN
WWAN, (англ. Wireless Wide Area Network) — беспроводная глобальная вычислительная сеть, разновидность беспроводных компьютерных сетей.
Глобальные беспроводные сети WWAN отличаются от локальных беспроводных сетей WLAN тем, что для передачи данных в них используются беспроводные технологии сотовой связи, такие как UMTS, GPRS, CDMA2000, GSM, CDPD, Mobitex, HSDPA, 3G. Соответствующие услуги связи предлагаются, как правило, на платной основе операторами регионального, национального или даже глобального масштаба. Технологии WWAN дают возможность пользователю, например, с ноутбуком и WWAN-адаптером получать доступ к Всемирной паутине, пользоваться электронной почтой и подключаться к виртуальным частным сетям из любой точки в пределах зоны действия оператора беспроводной связи. Многие современные портативные компьютеры имеют встроенные адаптеры WWAN (например, HSDPA).
С точки зрения видов коммутации в сетях передачи данных сети WWAN могут быть построены на основе следующих принципов:
1) коммутации пакетов (GPRS);
2) коммутации каналов (CSD, HSCSD).
Поскольку беспроводные сети не могут обеспечить физически безопасного канала передачи данных, в сетях WWAN для обеспечения безопасности, как правило, используются различные средства шифрования и аутентификации. Данные меры безопасности не следует, однако, переоценивать, поскольку уже известны случаи успешного взлома некоторых видов ключей шифрования в беспроводных сетях, а возможность взлома ключей GSM обоснована теоретически. Впрочем, случаев взлома ключей UMTS(3G) пока не известно. 6

 

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СЕТЕЙ

1.1. Беспроводные компьютерные сети

Беспроводные компьютерные сети — это технология, позволяющая создавать вычислительные сети, полностью соответствующие стандартам для обычных проводных сетей (например, Ethernet), без использования кабельной проводки. В качестве носителя информации в таких сетях выступают радиоволны СВЧ-диапазона.

Применение
Существует два основных направления применения беспроводных компьютерных сетей:
• Работа в замкнутом объеме (офис, выставочный зал и т. п.);
• Соединение удаленных локальных сетей (или удаленных сегментов локальной сети).
Для организации беспроводной сети в замкнутом пространстве применяются передатчики со всенаправленными антеннами. Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети — Ad-hoc и клиент-сервер. Режим Ad-hoc (иначе называемый «точка-точка») — это простая сеть, в которой связь между станциями (клиентами) устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. В режиме клиент-сервер беспроводная сеть состоит, как минимум, из одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных клиентских станций. Поскольку в большинстве сетей необходимо обеспечить доступ к файловым серверам, принтерам и другим устройствам, подключенным к проводной локальной сети, чаще всего используется режим клиент-сервер.
Комплексы для объединения локальных сетей по топологии делятся на «точку-точку» и «звезду». При топологии «точка-точка» (режим Ad-hoc в IEEE 802.11) организуется радиомост между двумя удаленными сегментами сети. При топологии «звезда» одна из станций является центральной и взаимодействует с другими удаленными станциями. При этом центральная станция имеет всенаправленную антенну, а другие удаленные станции — однонаправленные антенны. Применение всенаправленной антенны в центральной станции ограничивает дальность связи дистанцией примерно 7 км. Поэтому, если требуется соединить между собой сегменты локальной сети, удаленные друг от друга на расстояние более 7 км, приходится соединять их по принципу «точка-точка». При этом организуется беспроводная сеть с кольцевой или иной, более сложной топологией.
Если беспроводная сеть используется для объединения сегментов локальной сети, удаленных на большие расстояния, антенны, как правило, размещаются за пределами помещения и на большой высоте.
Беспроводная связь, или связь по радиоканалу, сегодня используется и для построения магистралей (радиорелейные линии), и для создания локальных сетей, и для подключения удаленных абонентов к сетям и магистралям разного типа. Весьма динамично развивается в последние годы стандарт беспроводной связи Radio Ethernet. Изначально он предназначался для построения локальных беспроводных сетей, но сегодня все активнее используется для подключения удаленных абонентов к магистралям. С его помощью решается проблема «последней мили» (правда, в отдельных случаях эта «миля» может составлять от 100 м до 25 км). 7

1.2. Беспроводные динамические сети

Беспроводные самоорганизующиеся сети (другие названия:, беспроводные динамические сети) — децентрализованные беспроводные сети, не имеющие постоянной структуры. Клиентские устройства соединяются «на лету», образуя собой сеть. Каждый узел сети пытается переслать данные, предназначенные другим узлам. При этом определение того, какому узлу пересылать данные, производится динамически, на основании связности сети. Это является отличием от проводных сетей и управляемых беспроводных сетей, в которых задачу управления потоками данных выполняют маршрутизаторы (в проводных сетях) или точки доступа (в управляемых беспроводных сетях).

Применение
Минимальное конфигурирование и быстрое развёртывание позволяет применять самоорганизующиеся сети в чрезвычайных ситуациях таких как природные катастрофы и военные конфликты.
В зависимости от критерия беспроводные самоорганизующиеся сети могут быть классифицированы следующим образом:

Иерархия
• одноранговые сети
• беспроводные mesh сети — сети с ячеистой топологией
Технологии, используемые при построении беспроводных самоорганизующихся сетей:
• Bluetooth (IEEE 802.15.1)
• WiFi (IEEE 802.11)
• ZigBee (IEEE 802.15.4)8

1.3. Беспроводные сенсорные сети

Беспроводная сенсорная сеть — распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.
Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров открывает новые области для применения систем телеметрии и контроля, такие как:
• Своевременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю таких параметров, как вибрация, температура, давление и т. п.;
• Контроль доступа в режиме реального времени к удаленным системам объекта мониторинга;
• Обеспечение охраны музейных ценностей;
• Обеспечение учёта экспонатов;
• Контроль экологических параметров окружающей среды.
Следует отметить, что несмотря на длительную историю сенсорных сетей, концепция построения сенсорной сети окончательно не оформилась и не выразилась в определенные программно-аппаратные (платформенные) решения. Реализация сенсорных сетей на текущем этапе во многом зависит от конкретных требований индустриальной задачи.

Технологии построения
Беспроводные сенсорные сети (WSN) состоят из миниатюрных вычислительных устройств — мотов, снабжённых сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и приемопередатчиками сигналов, работающими в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных, особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств, сенсорная сеть позволяет подключать до 65000 устройств. Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных параметров позволяют постепенно переориентироваться с проводных решений в системах сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики, обмена информации. «Сенсорная сеть» является сегодня устоявшимся термином (англ. Sensor Networks), обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки устройств. Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и радио-приемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.
Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15. ZigBee, известная как «Сенсорные сети» (англ. WSN — Wireless Sensor Network), является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов. 9

2. ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

2.1. Wireless WAN сети

2.1.1. GPRS

GPRS англ. General Packet Radio Service — «пакетная радиосвязь общего пользования» — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет.

Архитектура
Служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM. На структурном уровне систему GPRS можно разделить на две части: подсистему базовых станций (BSS) и опорную сеть GPRS (GPRS Core Network).

Интеграция с Интернетом
GPRS по принципу работы аналогична Интернету: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (необязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернетом незаметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернете (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.). Также при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический).

Применение
• Мобильный доступ в Интернет с приемлемой скоростью передачи данных, быстрым соединением и тарификацией по количеству переданных/полученных данных.
• Мобильный и безопасный доступ сотрудников к корпоративным сетям, удалённым базам данных, почтовым и информационным серверам предприятий.
• Телеметрия. Устройство может оставаться в подключённом состоянии, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга востребована службами охраны (сигнализация), банками и платёжными системами (установка банкоматов, терминалов оплаты услуг), в промышленности (датчики и счётчики различного рода, например по ходу нефте- и газопроводов).
• Спутниковый мониторинг транспорта

2.1.2. EDGE

EDGE (EGPRS) (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) — цифровая технология беспроводной передачи данных для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS)-сетями. Эта технология работает в TDMA- и GSM-сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.

Основные данные
EDGE, как и GPRS, использует адаптивный алгоритм изменения подстройки модуляции и кодовой схемы (MCS) в соответствии с качеством радиоканала, что влияет, соответственно, на скорость и устойчивость передачи данных. Кроме того, EDGE представляет новую технологию, которой не было в GPRS — Incremental Redundancy (нарастающая избыточность) — в соответствии с которой вместо повторной отсылки повреждённых пакетов отсылается дополнительная избыточная информация, которая накапливается в приёмнике. Это увеличивает возможность правильного декодирования повреждённого пакета.
EDGE обеспечивает передачу данных со скоростью до 474 кбит/с в режиме пакетной коммутации соответствуя, таким образом, требованиям ITU к сетям 3G. Данная технология была принята ITU как часть семейства IMT-2000 стандартов 3G. Она также расширяет технологию передачи данных с коммутацией каналов HSCSD, увеличивая пропускную способность этого сервиса.
Варианты EDGE:
• ECSD — по каналу CSD
• EHSCSD — по каналу HSCSD
• EGPRS — по каналу GPRS
Несмотря на то, что EDGE не требует аппаратных изменений в NSS-части GSM-сети, модернизации должна быть подвергнута подсистема базовых станций (BSS) — необходимо установить трансиверы, поддерживающие EDGE (8PSK-модуляцию) и обновить их программное обеспечение. Также требуются и сами телефоны, обеспечивающие аппаратную и программную поддержку модуляции и кодовых схем, используемых в EDGE (первый сотовый телефон, поддерживающий EDGE (Nokia 6200) был выпущен в 2002 году).

2.1.3. DECT

DECT (англ. Digital Enhanced Cordless Telecommunication) — технология беспроводной связи на частотах 1880—1900 МГц с модуляцией GMSK, используется в современных радиотелефонах. Стандарт DECT не только получил широчайшее распространение в Европе, но и является наиболее популярным стандартом беспроводного телефона в мире, благодаря простоте развёртывания DECT-сетей, широкому спектру пользовательских услуг и высокому качеству связи.

Описание
Цифровой стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) первоначально разрабатывался для Европы и утверждался в 1992 году Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI). Стандарт описывает взаимодействие базовой станции с мобильными терминалами (аппаратами) при этом может обеспечиваться как передача голоса, так и данных.
Диапазон радиочастот, используемых для приёма/передачи — 1880—1900 МГц в Европе, 1920—1930 МГц в США.
Рабочий диапазон (20 МГц) разделён на 10 радиоканалов, каждый по 1728 КГц.
Максимальная мощность станции и телефонных трубок в соответствии со стандартом — 10 мВт.
DECT относится к системам пакетной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов (информация передаётся по радиоканалу в виде пакетов, организованных в кадры) и основана на технологиях:
• TDMA — Time division multiple access (множественный доступ с временным мультиплексированием)
• FDMA — Frequency division multiple access (множественный доступ с частотным мультиплексированием)
• TDD — Time division duplex (дуплексный канал с временным разделением) (это означает, что спектр радиоизлучения разделён как по времени, так и по частотам).
Обмен информацией производится кадрами; с помощью временного разделения в каждом кадре. Каждый кадр длительностью 10 мс разделен на 24 временных интервала (ВИ, или слота англ. slot), причем первые 12 ВИ (0-11) служат для передачи пакетов в направлении ФЧ-ПЧ, а следующие 12 ВИ (12-23) для передачи пакетов в обратном направлении, ПЧ-ФЧ. Дуплексные каналы связи образуют последовательности из двух пакетов одного кадра с интервалом между ними в 12 ВИ. Передачу и прием информации в DECT ведут на одной частоте (дуплекс, с временным разделением каналов). 16 кадров DECT объединяют в мультикадр. Все кадры DECT пронумерованы, номера кадров используют при шифрации сообщений и передают по вещающему каналу.
Передача соединения мобильного абонента от одной базовой радиостанции к другой во время разговора абсолютно незаметна для абонента (режим handover). При установлении соединения для разговора используются 2 из 24 временных слота в каждом кадре: один для передачи голоса, другой для приёма.
Существует дополнительное расширение стандарта DECT — стандарт GAP (Generic Access Profile), принятое летом 1996 года, означающее совместимость радиотелефона с оборудованием других производителей, имеющим тот же стандарт DECT/GAP. Например, с теми телефонами, которые поддерживают стандарт DECT/GAP, можно использовать трубки от любой другой модели, поддерживающей этот стандарт. Специфика этого стандарта в том, что при взаимодействии трубок разных производителей некоторые функции могут быть неактивными.

Достоинства и недостатки
Основные достоинства DECT:
• хорошая (в сравнении с аналоговыми системами) помехоустойчивость канала связи, благодаря цифровой передаче сигнала; вследствие этого — отсутствие множества помех во время разговора, которые присутствовали в аналоговых системах;
• хорошая интеграция с системами стационарной корпоративной телефонии.
• меньшее по сравнению с мобильными телефонами облучение абонента — уровень сигнала радиотелефона в соответствии со стандартом составляет 10 мВт (из-за многократно меньшей мощности передатчика (как трубки, так и базы).
Основные недостатки DECT:
• относительно небольшая дальность связи (из-за ограничения мощности самим стандартом);
• невысокая (относительно WiFi) скорость передачи данных.

2.1.4. CDMA

CDMA (англ. Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением) — технология связи, обычно радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разную кодовую модуляцию. Наибольшую известность на бытовом уровне получила после появления сетей сотовой мобильной связи, ее использующих, из-за чего часто ошибочно исключительно с ней (сотовой мобильной связью) и отождествляется.

Принцип работы
Для радиосистем существует два основных ресурса - частота и время. Разделение пар приёмников и передатчиков по частотам таким образом, что каждой паре выделяется часть спектра на всё время соединения называется FDMA (Frequency Division Multiple Access). Разделение по времени таким образом, что каждой паре приёмник-передатчик выделяется весь (или большая часть) спектра на выделенный отрезок времени называют TDMA (Time Division Multiple Access). В CDMA (Code Division Multiple Access), для каждого узла выделяется весь спектр частот и всё время. CDMA использует специальные коды для идентификации соединений. Каналы трафика при таком способе разделения среды создаются посредством применения широкополосного кодо-модулированного радиосигнала — шумоподобного сигнала, передаваемого в общий для других аналогичных передатчиков канал, в едином широком частотном диапазоне. В результате работы нескольких передатчиков эфир в данном частотном диапазоне становится ещё более шумоподобным. Каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, приёмник, настроенный на аналогичный код, может вычленять из общей какофонии радиосигналов ту часть сигнала, которая предназначена данному приёмнику. В явном виде отсутствует временное или частотное разделение каналов, каждый абонент постоянно использует всю ширину канала, передавая сигнал в общий частотный диапазон, и принимая сигнал из общего частотного диапазона. При этом широкополосные каналы приёма и передачи находятся на разных частотных диапазонах и не мешают друг другу. Полоса частот одного канала очень широка, вещание абонентов накладывается друг на друга, но, поскольку их коды модуляции сигнала отличаются, они могут быть дифференцированы аппаратно-программными средствами приёмника.

Преимущества
• Высокая спектральная эффективность. Кодовое разделение позволяет обслуживать больше абонентов на той же полосе частот, чем другие виды разделения (TDMA, FDMA).
• Гибкое распределение ресурсов. При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания.
• Более высокая защищённость каналов. Выделить нужный канал без знания его кода весьма трудно. Вся полоса частот равномерно заполнена шумоподобным сигналом.

2.2. Wireless MAN сети

2.2.1.WiMAX

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16.

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 линиям и DSL». Максимальная скорость — до 1 Гбит/сек на ячейку.

Область использования
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.

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 и фиксированный WiMAX). Спецификация утверждена 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.
802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Спецификация утверждена 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, 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. 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. И тому есть несколько причин.
Во-первых, 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.
Во-вторых, 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.
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 радио модулей и PC card).

Основные понятия
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.
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 схожа 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).

Режимы работы
MAC / канальный уровень
В Wi-Fi сетях все пользовательские станции, которые хотят передать информацию через точку доступа (АР), соревнуются за «внимание» последней. Такой подход может вызвать ситуацию, при которой связь для более удалённых станций будет постоянно обрываться в пользу более близких станций. Подобное положение вещей делает затруднительным использование таких сервисов как Voice over IP (VoIP), которые очень сильно зависят от непрерывного соединения.
Что же касается сетей 802.16, в них MAC использует алгоритм планирования. Любой пользовательской станции стоит лишь подключиться к точке доступа, для неё будет создан выделенный слот на точке доступа, недоступный другим пользователям.

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. 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.

2.3. Wireless LAN сети

2.3.1. Wi-Fi

Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Под аббревиатурой Wi-Fi в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам.
Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi.
IEEE 802.11 — набор стандартов связи, для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 0.9, 2.4, 3.6, и 5 ГГц.10

История
Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с. Один из первых высокоскоростных стандартов беспроводных сетей — IEEE 802.11a — определяет скорость передачи уже до 54 Мбит/с. Рабочий диапазон стандарта 5 ГГц.
Вопреки своему названию, принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b не является продолжением стандарта 802.11a, поскольку в них используются различные технологии: DSSS (точнее, его улучшенная версия HR-DSSS) в 802.11b против OFDM в 802.11a. Стандарт предусматривает использование нелицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.
Продукты стандарта IEEE 802.11b, поставляемые разными изготовителями, тестируются на совместимость и сертифицируются организацией Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA), которая в настоящее время больше известна под названием Wi-Fi Alliance. Совместимые беспроводные продукты, прошедшие испытания по программе «Альянса Wi-Fi», могут быть маркированы знаком Wi-Fi.
Долгое время IEEE 802.11b был распространённым стандартом, на базе которого было построено большинство беспроводных локальных сетей. Сейчас его место занял стандарт G, постепенно вытесняемый более совершенным N.
Проект стандарта IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость соединения 54 Мбит/с и превосходя, таким образом, стандарт IEEE 802.11b, который обеспечивает скорость соединения 11 Мбит/с. Кроме того, он гарантирует обратную совместимость со стандартом 802.11b. Обратная совместимость стандарта IEEE 802.11g может быть реализована в режиме модуляции DSSS, и тогда скорость соединения будет ограничена одиннадцатью мегабитами в секунду либо в режиме модуляции OFDM, при котором скорость составляет 54 Мбит/с. Таким образом, данный стандарт является наиболее приемлемым при построении беспроводных сетей.

Принцип работы
Обычно схема Wi-Fi сети 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 (англ.)) 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 все аспекты 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.
• Wi-Fi устройства широко распространены на рынке. Гарантируется совместимость оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования с логотипом Wi-Fi.
• Мобильность.
• В пределах Wi-Fi зоны в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с компьютеров, ноутбуков, телефонов и т. д.
• Излучение от Wi-Fi устройств в момент передачи данных на два порядка (в 100 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.
Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы. Во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США; В Японии есть ещё один канал в верхней части диапазона, а другие страны, например Испания, запрещают использование низкочастотных каналов. Более того, некоторые страны, например Россия, Беларусь и Италия, требуют регистрации всех сетей Wi-Fi, работающих вне помещений, или требуют регистрации Wi-Fi-оператора.
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 совершенный протокол шифрования данных WPA и WPA2. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, 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, поэтому рекомендуется использовать сложные цифро-буквенные пароли для того, чтобы максимально усложнить задачу подбора пароля.
В режиме ad-hoc стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.11

Организация беспроводных сетей wi-fi
Выделяют два вида организации беспроводных сетей: Ad-Hoc и Infrastructure Mode. Режим Ad-Hoc (Independent Basic Service Set (IBSS) или Peer-to-Peer) является простейшей структурой локальной сети, при которой узлы сети (ноутбуки или компьютеры) связываются напрямую друг с другом. Такая структура удобна для быстрого развертывания сетей. Для ее организации требуется минимум оборудования - каждый узел должен быть оборудован адаптером WLAN.

В режиме Infrastructure Mode узлы сети связаны друг с другом не напрямую, а через точку доступа, т.н. Access Point. Различают два режима взаимодействия с точками доступа - BSS (Basic Service Set) и ESS (Extended Service Set).
В режиме BSS все узлы связаны между собой через одну точку доступа, которая может играть роль моста для соединения с внешней кабельной сетью.
Режим ESS представляет собой объединение нескольких точек доступа, т.е. объединяет несколько сетей BSS. В этом случае точки доступа могут взаимодействовать и друг с другом. Расширенный режим удобно использовать тогда, когда необходимо объединить в одну сеть несколько пользователей или подключить нескольких проводных сетей.
Важным вопросом при организации WLAN-сетей является дальность покрытия. На этот параметр влияет сразу несколько факторов:
1) Используемая частота (чем она больше, тем меньшая дальность действия радиоволн). 2) Наличие преград между узлами сети (различные материалы по-разному поглощают и отражают сигналы). 3) Режим функционирования - Infrastructure Mode) или Ad Hoc. 4) Мощность оборудования.
Если рассматривать идеальные условия, то зона покрытия с одной точкой доступа будет иметь следующий средний радиус покрытия: - сеть стандарта IEEE 802.11a - 50 м, - сети 802.11b и 802.11g - порядка 100 м.
За счет увеличения количества точек доступа (в режиме Infrastructure ESS) можно расширять зоны покрытия сети на всю необходимую область охвата.

Все актуальные стандарты WiFi, работающие на одном частотном диапазоне, являются обратно совместимыми. При этом, в спецификациях таких устройств пишут следующее: IEEE b/g/n — это означает что данное оборудование соответствует спецификациям стандарта IEEE 802.11 n и способно работать с устройствами более старых стандартов (IEEE 802.11 g и IEEE 802.11 b) на максимальных пропускных способностях (54 и 11 Мбит/с соответственно). 12

2.4. Wireless PAN сети

2.4.1. Infrared Data Association

Infrared Data Association — IrDA, ИК-порт, Инфракрасный порт — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи.
Является разновидностью оптической линии связи ближнего радиуса действия.
Была особо популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов. В данное время практически вытеснена более современными способами связи, такими как WiFi и Bluetooth. Основные причины отказа от IrDA были:
1) Усложнение сборки корпусов устройств, в которых монтировалось ИК-прозрачное окно.
2) Ограниченная дальность действия и требования прямой видимости пары приемник-передатчик.
3) Относительно низкая скорость передачи данных первых реализаций стандарта. В последующих ревизиях стандарта этот недостаток исправили: скоростные возможности немного превышают, например, возможности самой распространенной, на сегодняшний момент, версии протокола Bluetooth (спецификация 4.0). Однако широкого распространения скоростные варианты IrDA получить уже не успели.
IrDA спецификации включают в себя:
Спецификацию физического уровня IrPHY (с разновидностями SIR, MIR, FIR, VFIR, UFIR)
Протокольные спецификации IrLAP, IrLMP, IrCOMM, Tiny TP, IrOBEX, IrLAN, IrSimple и IrFM (находится в разработке).

Аппаратная реализация
Аппаратная реализация, как правило, представляет собой пару из излучателя, в виде инфракрасного светодиода, и приемника, в виде фотодиода расположенных на каждой из сторон линии связи. Наличие и передатчика и приемника на каждой из сторон является необходимым для использования протоколов гарантированной доставки данных.
В ряде случаев, например при использовании в пультах дистанционного управления бытовой техникой, одна из сторон может быть оснащена только передатчиком а другая только приемником.
Иногда устройства оснащают несколькими приемниками, что позволяет одновременно поддерживать связь с несколькими устройствами. Использование при этом одного передатчика возможно благодаря тому, что протоколы логического уровня требуют лишь незначительного обратного трафика для обеспечения гарантированной доставки данных.
Наличие нескольких передатчиков встречается гораздо реже.
Большинство оптических сенсоров, используемых в фото и видео камерах, имеет диапазон чувствительности гораздо шире видимой части спектра. Благодаря этому работающий инфракрасный передатчик можно увидеть на экране или фотоснимке в виде яркого пятна.

Возможности
До недавнего времени ИК-портами оснащалась большая часть мобильных телефонов, ноутбуков и карманных компьютеров. ИК-портами оснащаются некоторые принтеры и цифровые фотоаппараты. Большинство настольных ПК, напротив, не имеет инфракрасного порта в стандартной системной конфигурации, и для них необходим ИК-адаптер, который подключается к компьютеру через USB, СОМ-порт или в специальный разъем на материнской плате.
Протокол IrCOMM позволяет использовать мобильный телефон как беспроводной модем.
Протокол IrLAN позволяет подключить и связать устройства в локальную сеть, наподобие Ethernet.
Ввиду того, что пульты дистанционного управления используют этот же протокол, КПК, со встроенным ИК-портом, можно использовать как пульт для управления. Для этого, как правило, необходимо установить соответствующее ПО.

2.4.2. Bluetooth

Bluetooth (переводится как синий зуб, назван в честь Харальда I Синезубого) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.
Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 100 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Принцип действия Bluetooth
Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. 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 (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.
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-to-multipoint».

Спецификации Bluetooth 1.0
Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов.
Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005.

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 радио технологий 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/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Mбит/с соответственно.
Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией.
Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:
Увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых случаях.
Более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.
В 2007 году вышла спецификация Bluetooth 2.1. 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.
В августе 2008 года Bluetooth SIG представил 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 (асимметричная мультипроцессорная обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.
Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0
Bluetooth с низким энергопотреблением.
Bluetooth SIG утвердил спецификацию Bluetooth 4.0 30 июня 2010г. Bluetooth 4.0 включает в себя протоколы Классический Bluetooth, Высокоскоростной Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением. Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а Классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth.
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 специального 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.
Сенсоры 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.

2.4.3. ZigBee

ZigBee — спецификация сетевых протоколов верхнего уровня, использующих сервисы нижних уровней, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. ZigBee описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). Спецификация ZigBee ориентирована на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).
Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Кроме того, спецификация ZigBee содержит возможность выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от требований приложения и состояния сети, механизм стандартизации приложений — профили приложений, библиотека стандартных кластеров, конечные точки, привязки, гибкий механизм безопасности, а также обеспечивает простоту развертывания, обслуживания и модернизации. Применение сетей ZigBee в Российской Федерации в частотном диапазоне 2,405-2,485 ГГц не требует получения частотных разрешений и дополнительных согласований.
Основными областями применения технологии ZigBee являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация жилья («Умный дом» и «Интеллектуальное здание»), медицинское оборудование, системы промышленного мониторинга и управления, а также бытовая электроника и «периферия» персональных компьютеров.

Описание
ZigBee — стандарт для набора высокоуровневых протоколов связи, использующих небольшие, маломощные цифровые трансиверы, основанный на стандарте IEEE 802.15.4-2006 для беспроводных персональных сетей, таких как, например, беспроводные наушники, соединённые с мобильными телефонами посредством радиоволн коротковолнового диапазона. Технология определяется спецификацией ZigBee, разработанной с намерением быть проще и дешевле, чем остальные персональные сети, такие как Bluetooth. ZigBee предназначен для радиочастотных устройств, где необходима длительная работа от батареек и безопасность передачи данных по сети.
Альянс ZigBee является органом, обеспечивающим и публикующим стандарты ZigBee, он также публикует профили приложений, что позволяет производителям изначальной комплектации создавать совместимые продукты.
ZigBee работает в промышленных, научных и медицинских (ISM-диапазон) радиодиапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и в Австралии, и 2.4 ГГц в большинстве стран в мире (под большинством юрисдикций стран мира). Радиомодуль также можно использовать отдельно с любым процессором и микроконтроллером.
Так как ZigBee может активироваться (то есть переходить от спящего режима к активному) за 15 миллисекунд или меньше, задержка отклика устройства может быть очень низкой, особенно по сравнению с Bluetooth, для которого задержка, образующаяся при переходе от спящего режима к активному, обычно достигает трёх секунд. Так как ZigBee большую часть времени находится в спящем режиме, уровень потребления энергии может быть очень низким, благодаря чему достигается длительная работа от батарей.

Приложения
Протоколы ZigBee разработаны для использования во встроенных приложениях, требующих низкую скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Цель ZigBee — это создание недорогой, самоорганизующейся сети с ячеистой топологией предназначенной для решения широкого круга задач. Сеть может использоваться в промышленном контроле, встроенных датчиках, сборе медицинских данных, оповещении о вторжении или задымлении, строительной и домашней автоматизации и т. д. Созданная в итоге сеть потребляет очень мало энергии — индивидуальные устройства согласно данным сертификации ZigBee позволяют энергобатареям работать два года.

Типовые области приложения:
• Домашние развлечения и контроль — рациональное освещение, продвинутый температурный контроль, охрана и безопасность, фильмы и музыка.
• Домашнее оповещение — датчики воды и энергии, мониторинг энергии, датчики задымления и пожара, рациональные датчики доступа и переговоров.
• Мобильные службы — мобильные оплата, мониторинг и контроль, охрана и контроль доступа, охрана здоровья и телепомощь.
• Коммерческое строительство — мониторинг энергии, HVAC, света, контроль доступа.
• Промышленное оборудование — контроль процессов, промышленных устройств, управление энергией и имуществом.

Существуют три различных типа устройств ZigBee.
Координатор ZigBee (ZC) — наиболее ответственное устройство, формирует пути древа сети и может связываться с другими сетями. В каждой сети есть один координатор ZigBee. Он и запускает сеть от начала. Он может хранить информацию о сети, включая хранилище секретных паролей производства компании Trust Centre.
Маршрутизатор ZigBee (ZR) — Маршрутизатор может выступать в качестве промежуточного маршрутизатора, передавая данные с других устройств. Он также может запускать функцию приложения.
Конечное устройство ZigBee (ZED) — его функциональная нагруженность позволяет ему обмениваться информацией с материнским узлом (или координатором, или с маршрутизатором), он не может передавать данные с других устройств. Такое отношение позволяет узлу большую часть времени пребывать в спящем состоянии, что позволяет экономить энергоресурс батарей.  

3. ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

3.1. Технология уширения спектра

В основе всех беспроводных протоколов семейства 802.11 лежит технология уширения спектра (Spread Spectrum, SS). Данная технология подразумевает, что первоначально узкополосный (в смысле ширины спектра) полезный информационный сигнал при передаче преобразуется таким образом, что его спектр оказывается значительно шире спектра первоначального сигнала. То есть спектр сигнала как бы «размазывается» по частотному диапазону. Одновременно с уширением спектра сигнала происходит и перераспределение спектральной энергетической плотности сигнала — энергия сигнала также «размазывается» по спектру. В результате максимальная мощность преобразованного сигнала оказывается значительно ниже мощности исходного сигнала. При этом уровень полезного информационного сигнала может в буквальном смысле сравниваться с уровнем естественного шума. В результате сигнал становится в каком то смысле «невидимым» — он просто теряется на уровне естественного шума.

Использование технологии уширения спектра позволяет предавать данные на уровне естественного шума.13

Собственно, именно в изменении спектральной энергетической плотности сигнала и заключается идея уширения спектра. Дело в том, что если подходить к проблеме передачи данных традиционным способом, то есть так, как это делается в радиоэфире, где каждой радиостанции отводится свой диапазон вещания, то мы неизбежно столкнемся с проблемой, что в ограниченном радиодиапазоне, предназначенном для совместного использования, невозможно «уместить» всех желающих. Поэтому необходимо найти такой способ передачи информации, при котором пользователи могли бы сосуществовать в одном частотном диапазоне и при этом не мешать друг другу. Именно эту задачу и решает технология уширения спектра.

3.2. Технология MIMO

Multi-input/multi-output –является наиболее перспективной технологией передачи.
Наличие нескольких приемников и нескольких передатчиков позволяет одновременно передавать и принимать в одном радиоканале несколько сигналов. Сигналы могут нести одну и ту же информацию для увеличения надежности передачи или разную для увеличения скорости передачи, либо комбинировать эти методы.
Каждый сигнал передается со своего передатчика со своей антенной, при этом передающие антенны разнесены в пространстве. В применяемых диапазонах 2,4 и 5 ГГц даже несколько сантиметров составляют доли длины волны, и передаваемый сигнал испытывает относительно уникальные характеристики канала при распространении до приемной антенны. Каждая из нескольких разнесенных приемных антенн одновременно принимает свою относительно уникальную копию передаваемого сигнала.
При помощи достаточно сложных математических алгоритмов из ситуации «несколько передатчиков – несколько приемников» (а коротко – MIMO) можно извлечь следующие выгоды:
- использовать несколько передатчиков для повышения отношения сигнал-шум на приеме;
- использовать несколько приемников для повышения отношения сигнал-шум на приеме (MIMO-эквалайзер);
- возможность передавать больше информации в одном и том же радиоканале – (пространственное мультиплексирование). Техника одновременной передачи разных потоков информации данных по одному радиоканалу.
Классификация способов использования MIMO указана на приведенной ниже схеме:

Использование нескольких передатчиков

Есть несколько способов в порядке убывания их эффективности:

Формирование диаграммы направленности передатчика – метод координации сигналов, передаваемых передатчиками, направленный на повышение отношения сигнал-шум в точке приема. В идеале параметры сигналов на передаче подбираются таким образом, чтобы в точку приема они пришли синфазно и, сложившись, увеличили уровень приемного сигнала. Является достаточно эффективным способом, позволяет увеличить отношение сигнал-шум на 3-6 децибел при двух передатчиках и одном приемнике.
Пространственно-временные блоковые коды. Данные разбиваются на блоки и передаются сначала через один передатчик, потом через второй (третий). Поскольку одна порция данных передается несколько раз по разным каналам – вероятность их восстановления на приеме повышается. Радиоканал становится более надежным.
Субсимвольный временной сдвиг. Не самый эффективный метод, поскольку передает копию одного и того же сигнала через разные передатчики с искусственной временной задержкой для внесения искусственного эффекта многолучевого распространения в канал.
Выбор антенны. Обычно применяется в случаях с одним приемопередатчиком и двумя антеннами, то есть не совсем «честный MIMO». Базируясь на информации о канале, например уровень приемного сигнала, передатчик выбирает одну из антенн для передачи сигнала приемнику.

Использование информации от нескольких приемников
Эквалайзер MIMO – способ аналогичен формированию диаграммы направленности, но работает со стороны приемников. Эквализация принимаемых сигналов позволяет сложить их максимально эффективно и повысить отношение «сигнал-шум» на приемной стороне.

Одновременное использование и нескольких передатчиков, и нескольких приемников – пространственное мультиплексирование
Как уже упоминалось ранее, несколько передатчиков и несколько приемников создают несколько относительно уникальных каналов распространения внутри одного участка спектра. Эти каналы образуются не частотным разнесением, а пространственным разнесением антенн передатчиков и приемников, поэтому называются пространственными потоками. Вполне логично было бы использовать эти относительно уникальные каналы для передачи уникальной информации, чтобы увеличить пропускную способность канала. Этот вариант использования является одним из широко рекламируемых преимуществ MIMO и называется эта техника пространственным мультиплексированием. Но поскольку используется один участок спектра, применение пространственных потоков требует несколько серьезных условий:
- чем больше пространственных потоков мы хотим передать – тем более жесткие требования к каналу предъявляются. Извлечение уникальной информации из «условно уникальных» пространственных потоков – сложная операция, требу}

Использование нескольких передатчиков

ющая значительного превышения уровня сигнала над уровнем шума и отсутствия помех.
- для передачи N потоков требуется как минимум N передатчиков и N приемников. Увеличение их количества упрощает извлечение информации и несколько ослабляет требования к качеству канала.
Использование техники MIMO позволяет в разы поднять надежность и увеличить скорость передачи данных в радиоканале с той же шириной полосы частот. Это позволяет удовлетворить возрастающие потребности и ожидания пользователей беспроводных сетей. 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были рассмотрены основные классификации беспроводных сетей. Более подробно структуры и способы их построения, их виды, согласно приведенным классификациям. Кроме того были разобраны принципы работы технологий беспроводной передачи данных, обозначены их преимущества и недостатки, сферы применения, проведен сравнительный анализ стандартов и технологий.

Список использованной литературы

1. Аникин А. А. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных / А. А. Аникин // Беспроводные технологии – 2011. - №4 – с. 6.
2. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия – Беспроводные технологии. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводные_технологии
3. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия – Беспроводные персональные сети. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводные_персональные_сети_(WPAN)
4. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия - Беспроводные локальные сети. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Wireless_LAN
5. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия - Беспроводные сети масштаба города. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Wireless_MAN
6. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия - Беспроводные глобальные сети. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/WWAN
7. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия - Беспроводные компьютерные сети. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводные_компьютерные_сети
8. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия – Беспроводные ad hoc сети. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводные_ad_hoc_сети
9. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия – Беспроводные сенсорные сети. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводные_сенсорные_сети
10. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия – IEEE 802.11. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11
11. TrendNET (Электронный ресурс): Морозов И. А. Краткий обзор технологии WiFi /И.А. Морозов. - Режим доступа: http://trendnet.ru/support/information/wifi.php
12. Википедия (Электронный ресурс): свободная энциклопедия / Электрон. Энциклопедия – Wi-Fi. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi
13. Электронное периодическое издание Ferra.Ru («Ферра.Ру») (Электронный ресурс): Леонов В. В. Беспроводные сети - как это работает /В.В. Леонов. Режим доступа: http://www.ferra.ru/ru/networks/s25619/
14. Клуб IT профессионалов (Электронный ресурс): Рубрика беспроводные решения / Р. Подойницын – Тонкости применения mimo - просто о сложном. - Режим доступа: http://proitclub.ru/2009/09/30/Тонкости-применения-mimo-просто-о-сложно

ПРИЛОЖЕНИЕ

Сравнительная таблица стандартов беспроводной связи