Системы беспроводной передачи информации

Санкт-Петербургский  Государственный Университет Информационных Технологий, Механики и Оптики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Системы беспроводной передачи информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент:

Пономарев Александр  Сергеевич

Факультета: КТиУ

Кафедры: ПКС(КЗОИ)

Группы: 2158

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург, 2005 г.

Содержание:

1. Системы беспроводной передачи ниформации.
1. HiperLAN2;
2. MMDS;
3. WLL;
4. IrDA;
5. IEEE 802.11
1. Стандарт IEEE 802.11a
2. IEEE 802.11b
3. IEEE 802.11g
1. Физический уровень протокола IEEE 802.11g
2. Методы передачи данных.
1. Технология DSSS.
2. Технология FHSS.
3. Безопасность.
1. Безопасность передаваемой информации.
2. Безопасность для здоровья.
4. Режимы работы.
1. Ad Hoc.
2. Infrastructure Mode.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Системы беспроводной передачи информации.

В настоящее время имеется широкий выбор беспроводных технологий пользовательского доступа. Системы  радиодоступа  строятся в соответствии со следующими стандартами:

1. HiperLAN2;
2. MMDS;
3. WLL;
4. IrDa;
5. IEEE 802.11/b/g.

1.1. HiperLAN2

HiperLAN2 базируется на недавно разработанной радиотехнологии, созданной специально для взаимодействий по локальной сети в рамках проекта Broadband Radio Access Networks (BRAN), реализуемого Европейским институтом стандартов в области электросвязи (ETSI), радиотехнология — так называемое уплотнение с ортогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), реализация которого является весьма серьезной технической задачей. Наиболее привлекательной чертой HiperLAN2 является ее высокая скорость, в качестве каковой иногда ошибочно называется величина 54 Мбит/с. Действительно, номинальная скорость радиопередачи будет составлять 54 Мбит/с, но типичная скорость для приложений будет ближе к 20 Мбит/с. Другая характерная черта — поддержка QoS, что весьма важно для таких приложений, как видео и речь. Архитектура HiperLAN2 обеспечивает соединение со множеством типов сетей, в том числе Ethernet (она будет поддерживаться в числе первых), IP, ATM и PPP. Функции защиты включают аутентификацию и шифрование. Совершенно Построение сетей на основе технологии HiperLAN2 потребует значительных инвестиций. Во-первых, единственный стандарт по беспроводные локальные сети,  на сегодняшний день широко применяемый был предложен IEEE, а вовсе не ETSI. Во-вторых, IEEE уже имеет несколько стандартов на беспроводные локальные сети, в том числе стандарт 802.11a, обеспечивающий скорость передачи 54 Мбит/с. И в-третьих, ни одна компания из числа поддержавших проект HiperLAN2 не является признанным лидером в области локальных сетей. Работает данная технология в 5Ггц диапазоне который в настоящий момент еще не лицензирован. Чтобы разделяемые сети в стандарте HiperLAN2 действительно обеспечивали широкополосный доступ, они должны иметь множество точек доступа и множество каналов, которые обеспечивают свободу передвижений в пределах определенной территории.

1.2. MMDS

Система MMDS (Microwave Multipoint Distribution Service - Микроволновые многоточечные  распределительные системы) получили в последние годы широкое распространение  как альтернатива классическим кабельным  сетям, в которых распределительная сеть строится за счет прокладки коаксиальных или оптических кабелей. Возможность интеграции систем MMDS c высокоскоростным беспроводным обменом цифровыми данными, позволяет легко решить проблему «последней» мили, обеспечивая радиус вещания, ограниченный линией горизонта (около 60 км).

Запрашиваемые пользователем данные транслируются нисходящими потоками в цифровых каналах, использующих модуляцию QPSK, 16-, 32-, 64-, 128- или 256-QAM. При этом, в  зависимости от ширины канала и выбранной  схемы модуляции сигнала, в одном канале шириной до 8 МГц обеспечивается скорость передачи данных до 56 Мбит/сек. времени, что в 1000-1500 раз быстрее, чем позволяет аналоговый телефонный модем (33,6 Кбит/с), в 200-400 раз быстрее, чем по линии ISDN (64 и 128 Кбит/с). Радиус зоны обслуживания системы ММDS определяется высотой подвеса передающей антенны, мощностью передатчика, количеством передаваемых каналов, потерями в антенно-фидерном тракте и коэффициентом усиления передающей и приёмной антенн. В процессе строительства и эксплуатации выявлен ряд преимуществ системы MMDS. Главным недостатком технологии является высокая стоимость оборудования, большое число обслуживающего персонала.

1.3. WLL

Первые системы фиксированного беспроводного доступа (WLL -Wireless Local Loop) были разработаны в конце 1980-х - начале 1990-х годов для решения весьма актуальной задачи - расширения зоны обслуживания АТС. Название этого класса систем определяет и их назначение - предоставление услуг традиционной телефонии абонентам, расположенным за пределами зоны обслуживания.

Системы WLL являются системами типа "точка - многоточка", работают в диапазонах частот от 1,5 до 3,5 ГГц, а сети на базе систем WLL строятся по сотовому принципу. В состав систем WLL входят:

1. центральная станция (ЦС), обеспечивающая подключение и управление всей сетью в целом;
2. ретрансляционные станции (PC), позволяющие обеспечить сплошное покрытие обслуживаемой территории и расширить зону обслуживания до нескольких сотен километров (в зависимости от количества последовательно включенных ретрансляторов);
3. терминальные станции (ТС), устанавливаемые в зонах обслуживания;
4. система технического обслуживания, реализованная в виде программного обеспечения на уровне управления сетевыми элементами и устанавливаемая на персональном компьютере.

Системы WLL предоставляют услуги ТфОП (телефония, факс и передача данных с использованием dial-up-модемов) абонентам, удаленным на десятки километров. Основной недостаток данных систем является высокая стоимость, сложность установки и эксплуатации оборудования.

1.4. IrDa

ИК cистемы передачи трафика локальных  сетей или для внутрикорпоративных  систем стали появляться на рынке  в начале 90-х годов. Одним из самых  активных первопроходцев была канадская  компания A.T.Schindler, но она была не единственной. Заметную активность проявляли фирмы Joltи SilCom системы, с обычным сетевым интерфейсами Ethernet, Token Ring, обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 метров и использовали в передающем устройстве инфракрасные полупроводниковые излучающие диоды.

Системы текоммуникационного применения получили свое развитие лишь к 1998г, когда уровень  развития лазерной технологии позволил освоить в массовом производстве лазерные полупроводниковые диоды  мощностью 100мВт и более, с высоким  показателем параметра наработки на отказ (MTBF), а именно более 50000 часов – тот минимальный уровень, который требуется для надежного функционирования телекоммуникационной системы.

Значительный  опыт, приобретенный в результате большого количества инсталляций систем передачи информации на основе оптоволоконных каналов с инфракрасными приемопередатчиками, позволил довести эту технологию до совершенства. При этом был обеспечен высокий уровень безопасности данных и достигнута оптимальная стоимость, так как в данном случае отпадала необходимость в использовании дорогих в прокладке арендуемых кабельных каналов связи.

Инфракрасный канал работает в  диапазоне высоких частот, где сигналы мало подвержены электрическим помехам. В соответствии с этим, передача данных осуществляется с небольшим числом ошибок и высокими скоростями. Вместе с этим для использования канала необходимо, чтобы Оконечное Оборудование Данных (ООД) "видело" друг друга. Более того, из-за быстрого затухания сигнала в не всегда чистой атмосфере, длина инфракрасного канала в воздухе ограничена небольшими расстояниями. Так, при использовании направленной антенны и маломощного передатчика (100мВт) связь возможна на расстоянии до 30-50 м. Однако, применение направленной антенны с более мощным передатчиком (250 мВт) увеличивает это расстояние до 10 км. Из-за пыли, дождя, снега происходит рассеивание сигнала.

1.5. IEEE 802.11

На сегодняшний день существуют следующие разновидности  данного стандарта построения беспроводных локальных сетей IEEE 802.11 a/b/g Стандарт IEEE 802.11, принятый в1997 г., стал первым стандартом данного семейства. Он предусматривает использование диапазона час-тот 2,4 ГГц – 5 ГГц, а также технологии расширения спектра скачкообразной сменой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum или технологии расширения спектра по методу прямой последовательности. [Direct Sequence Spread Spectrum DSSS. Стандарт IEEE 802.11 обеспечивает пропускную способность до 2 Мбит/с в расчете на одну точку доступа. В стадии рассмотрения находятся такие стандарты как IEEE 802.11e/f/h/i/j/n.

1.5.1. СТАНДАРТ IEEE 802.11a

Стандарт IEEE 802.11 а предусматривает использование нового, не требующего лицензирования частотного диапазона 5 ГГц и модуляции по методу ортогонального мультиплексирования с разделением частот [Orthogonal Frequency Domain Multiplexing [OFDM]). Применение этого стандарта позволяет увеличить скорость передачи в каждом канале с 11 Мбит/с до 54 Мбит/с. При этом одновременно может быть организовано до восьми непересекающихся каналов (или точек присутствия), а не три, как в диапазоне 2,4 ГГц. Продукты стандарта IEEE 802.11а (сетевые адаптеры NIC и точки доступа) не имеют обратной совместимости с продуктами стандартов 802.11 и 802.11b, так как они работают на разных частотах.

1.5.2. СТАНДАРТ IEEE 802.11b

Стандарт IEEE 802.11Ь был  принят в 1999 г. в развитие принятого  ранее стандарта IEEE 802.11. Он также предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, но только с модуляцией DSSS. Данный стандарт обеспечивает пропускную способность до 11 Мбит/с в расчете на одну точку доступа.

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 WH могут быть маркированы знаком Wi-Fi.

В настоящее время ЕЕЕ 802.11b это самый распространенный стандарт, на базе которого построено большинство беспроводных локальных сетей.

1.5.3. СТАНДАРТ IEEE 802.11g

Проект стандарта IEEE 802.11g был утвержден в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость передачи 54 Мбит/с и превосходя, таким образом, ныне действующий стандарт 802.11b. 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 передачи 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.

1.5.3.1. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПРОТОКОЛА 802.11g

Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием стандарта 802.11b/b+ и предполагает передачу данных в  том же частотном диапазоне, но с более высокими скоростями. Кроме того, стандарт 802.11g полностью совместим с 802.11b, то есть любое устройство 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с.

При разработке стандарта 802.11g рассматривались  несколько конкурирующих технологий: метод ортогонального частотного разделения OFDM и метод двоичного пакетного  сверточного кодирования PBCC.

В протоколе 802.11g предусмотрена  передача на скоростях 1, 2, 5,5, 6, 9, 11, 12, 18, 22, 24, 33, 36, 48 и 54 Мбит/с. Некоторые из данных скоростей являются обязательными, а некоторые – опциональными. Кроме того, одна и та же скорость может реализовываться при различной технологии кодирования. Ну и как уже отмечалось, протокол 802.11g включает в себя как подмножество протоколы 802.11b/b+.

Технология кодирования PBCC опционально может использоваться на скоростях 5,5; 11; 22 и 33 Мбит/с. Вообще же в самом стандарте обязательными  являются скорости передачи 1; 2; 5,5; 6; 11; 12 и 24 Мбит/с, а более высокие скорости передачи (33, 36, 48 и 54 Мбит/с) — опциональными.

Отметим, что для обязательных скоростей в стандарте 802.11g используется только кодирование CCK и OFDM, а гибридное  кодирование и кодирование PBCC является опциональным.

Для передачи на более  высоких скоростях используется квадратурная амплитудная модуляция QAM (Quadrature Amplitude Modulation), при которой  информация кодируется за счет изменения  фазы и амплитуды сигнала. В протоколе 802.11g используется модуляция 16-QAM и 64-QAM. В первом случае имеется 16 различных состояний сигнала, что позволяет закодировать 4 бита в одном символе. Во втором случае имеется уже 64 возможных состояний сигнала, что позволяет закодировать последовательность 6 бит в одном символе. Модуляция 16-QAM применяется на скоростях 24 и 36 Мбит/с, а модуляция 64-QAM — на скоростях 48 и 54 Мбит/с.

2. МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Стандарт 802.11 предусматривает  использование двух методов передачи данных. Один из них получил название Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) - «метод прямой последовательности», а другой - Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) - «метод частотных скачков». Оба эти метода используют принцип широкополосной передачи сигнала.

2.1. ТЕХНОЛОГИЯ DSSS

Метод DSSS использует всю полосу 2,4 ГГц одновременно, разбивая ее на 11 одинаковых полос. Для того, чтобы несколько каналов могли использоваться одновременно в одном и том же месте, необходимо, чтобы они отстояли друг от друга на 25 МГц (не перекрывались), для исключения взаимных помех. Таким образом, в одном месте может одновременно использоваться максимум 3 канала. Сигнал передатчика кодируется таким образом, что каждый бит передаваемой информации преобразуется в последовательность из 11 бит. После чего эта последовательность передается параллельно и одновременно по всем 11 полосам. Приемник, получивший эту последовательность, производит обратное преобразование сигнала. Каждая пара «передатчик-приемник» использует свой алгоритм кодирования, исключающий перехват сигнала другим приемником.

Первое  достоинство данного метода заключается  в надежной защите передаваемой информации. Вероятность совпадения схем кодирования  двух разных устройств практически  исключена. Расшифровать же такой сигнал, не зная алгоритма, невозможно.

Второе  достоинство состоит в том, что благодаря одиннадцатикратной избыточности информации для передачи сигнала можно использовать маломощную аппаратуру. При этом нет необходимости использовать дорогостоящие усилители или изменять конструкцию антенн. Кроме того, «размазывание» сигнала приводит к тому, что отношение сигнала к шуму становится близким к единице. С точки зрения узкополосной аппаратуры такой сигнал практически не отличается от шума (отсюда произошло второе название - «метод шумоподобного сигнала»). В свою очередь, узкополосная аппаратура не влияет на DSSS, поскольку частичная потеря информации на одной или нескольких полосах не портит сигнал из-за избыточности передаваемой информации. Это позволяет одновременно использовать в одном диапазоне узкополосную и DSSS-аппаратуру.

2.2. ТЕХНОЛОГИЯ FHSS

Метод частотных скачков использует полосу по-иному. Весь диапазон, отведенный для  передачи, согласно стандарту 802.11 делится  на 79 каналов. Передатчик использует в  единицу времени только один из этих каналов, переключаясь между ними согласно заложенному в него алгоритму. Частота таких «скачков» стандартом не определена и варьируется в зависимости от того, в какой стране используется данное оборудование. В свою очередь, приемник синхронно совершает такие же «скачки», используя ту же «случайную» последовательность, что и передатчик. Случайная последовательность является уникальной для каждой пары передатчикприемник.

В отличие  от метода прямой последовательности метод FHSS имеет два существенных недостатка. Первый из них заключается в том, что при достаточно большом числе одновременных сеансов работы резко увеличивается вероятность коллизии. Это обусловлено конечным числом каналов и узкополосностью передаваемого в единицу времени сигнала. Два различных сигнала, столкнувшись на одной частоте, заглушат друг друга и инициируют повторную передачу на следующем скачке. Поэтому помехозащищенность реализуется за счет уменьшения пропускной способности. Второй недостаток - создание помех для узкополосной аппаратуры, что в ряде случаев делает невозможным их совместное использование. Это обстоятельство резко сужает круг возможных применений. Аппаратура FHSS, как правило, используется в закрытых помещениях либо на небольшой территории (исключение составляет случай, когда необходимо организовать соединение «точка-точка»).

3. Безопасность.

3.1. Безопасность передаваемой информации.

802.11b обеспечивает  контроль доступа на MAC уровне (второй  уровень в модели ISO/OSI), и механизмы  шифрования, известные как Wired Equivalent Privacy (WEP), целью которых является обеспечение беспроводной сети средствами безопасности, эквивалентными средствам безопасности проводных сетей. Когда включен WEP, он защищает только пакет данных, но не защищает заголовки физического уровня, так что другие станции в сети могут просматривать данные, необходимые для управления сетью. Для контроля доступа в каждую точку доступа помещается так называемый ESSID (или WLAN Service Area ID), без знания которого мобильная станция не сможет подключиться к точке доступа. Дополнительно точка доступа может хранить список разрешённых MAC адресов, называемый списком контроля доступа (Access Control List, ACL), разрешая доступ только тем клиентам, чьи MAC адреса находятся в списке.

 

Для шифрования данных стандарт предоставляет возможности  шифрования с использованием алгоритма RC4 с 40-битным разделяемым ключом. После того, как станция подключается к точке доступа, все передаваемые данные могут быть зашифрованы с использованием этого ключа. Когда используется шифрование, точка доступа будет посылать зашифрованный пакет любой станции, пытающейся подключиться к ней. Клиент должен использовать свой ключ для шифрования корректного ответа для того, чтобы аутентифицировать себя и получить доступ в сеть. Выше второго уровня сети 802.11b поддерживают те же стандарты для контроля доступа и шифрования (например, IPSec), что и другие сети 802.

3.2. Безопасность для здоровья.

Так как мобильные  станции и точки доступа являются СВЧ устройствами, у многих возникают  вопросы по поводу безопасности использования компонентов Wave LAN. Известно, что чем выше частота радиоизлучения, тем опаснее оно для человека. В частности, известно, что если посмотреть внутрь прямоугольного волновода, передающего сигнал частотой 10 или более ГГц, мощностью около 2 Вт, то неминуемо произойдёт повреждение сетчатки глаза, даже если продолжительность воздействия составит менее секунды. Антенны мобильных устройств и точек доступа являются источниками высокочастотного излучения, и хотя мощность излучаемого сигнала очень невелика, всё же не следует находиться в непосредственной близости от работающей антенны. Как правило, безопасным расстоянием является расстояние порядка десятков сантиметров от приёмо-передающих частей. Более точное значение можно найти в руководстве к конкретному прибору.

4. РЕЖИМЫ РАБОТЫ

 

4.1. Ad Hoc.

В режиме Ad Hoc, станции  непосредственно взаимодействуют  друг с другом. Для того режима требуется  минимум оборудования: каждая станция  должна быть оснащена беспроводным адаптером.

При такой конфигурации не требуется создания сетевой инфраструктуры. Основным недостатком режима Ad Hoc является ограниченный диапазон действия возможной сети и невозможность подключения к внешней сети (например, к Интернету).

4.2. Infrastructure Mode.

В режиме Infrastructure Mode станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа (Access Point), которая выполняет в беспроводной сети роль своеобразного концентратора (аналогично тому, как это происходит в традиционных кабельных сетях). Рассматривают два режима взаимодействия с точками доступа - BSS (Basic Service Set) и ESS (Extended Service Set). В режиме BSS все станции связываются между собой только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети.

                               

В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причём сами точки доступа  взаимодействуют друг с другом, что  позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Сами точки доступа  соединяются между собой с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Для доступа к среде  передачи данных в беспроводных сетях  применяется метод коллективного  доступа с обнаружением несущей  и избежанием коллизий (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA/CA). Собственно, этот метод даже по своему названию напоминает технологию коллективного доступа, реализованную в сетях Ethernet, где используется метод коллективного доступа с опознанием несущей и обнаружением коллизий (Сarrier-Sense-Multiply-Access With Collision Detection, CSMA/CD). Единственное различие состоит во второй части метода - вместо обнаружения коллизий используется технология избежания коллизии. Перед тем как послать данные в "эфир", станция сначала отправляет специальное сообщение, называемое RTS (Ready To Send), которое трактуется как готовность данного узла к отправке данных. Такое RTS-сообщение содержит информацию о продолжительности предстоящей передачи и об адресате и доступно всем узлам в сети. Это позволяет другим узлам задержать передачу на время, равное объявленной длительности сообщения. Приёмная станция, получив сигнал RTS, отвечает посылкой сигнала CTS (Clear To Send), свидетельствующего о готовности станции к приёму информации. После этого передающая станция посылает пакет данных, а приёмная станция должна передать кадр ACK, подтверждающий безошибочный прием. Если АСК не получен, попытка передачи пакета данных будет повторена. Таким образом, с использованием подобного четырёхэтапного протокола передачи данных реализуется регламентирование коллективного доступа с минимизацией вероятности возникновения коллизий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы и источников материала:

1.Шахнович С. «Современные беспроводные технологии» СПб.:ПИТЕР,2004.

2.Мауфер Т. WLAN «Практическое руководство для администраторов и профессиональных пользователей» Пер.с англ.-М.:КУДИЦ-ОБРАЗ,2005.

3.Материал взятый с сайта http://www.ixbt.com

4.Материал взятый с сайта http://www.3dnews.ru

5.Материал взятый с сайта http://www.manta.ieee.org

6.Метериал взятый с сайта  http://www.wireless.ru