Беспроводные персональные сети

Введение

М. Полтава, Першотравневий проспект, 24

НАВЧАЛЬНЕ ВИДАННЯ

Завора Таїна Миколаївна

ФІНАНСОВИЙ АНАЛІЗ

Комп’ютерна верстка Т.М. Завора

Редактор Я.В. Новічкова

Коректор Є.В. Найчук

Друк RISO

Обл.-вид. арк. 5,5

Редакційно-видавничий відділ

Полтавського національного технічного університету

імені Юрія Кондратюка

Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи

до Державного реєстру видавців, виготівників і розповсюджувачів

видавничої продукції.

Серія ДК № 3130 від 06.03.2008 р.

Віддруковано з оригінал-макета РВВ ПолтНТУ

История беспроводных технологий передачи информации началась в конце XIX века с передачей первого радиосигнала и появлением в 20-х годах ХХ века первых радиоприемников с амплитудной модуляцией. В 1930-е годы появилось радио с частотной модуляцией и телевидение. В 1970-е годы были созданы первые беспроводные телефонные системы. Сначала это были аналоговые сети, в начале 1980-х появился стандарт GSM, ознаменовавший начало перехода на цифровые стандарты как обеспечивающие лучшее распределение спектра, лучшее качество сигнала и большую безопасность. С 90-x годов ХХ века происходит укрепление позиций беспроводных сетей. Беспроводные технологии прочно входят в нашу жизнь. Развиваясь с огромной скоростью, они стимулируют создание новых устройств и услуг.

Обилие новых беспроводных технологий, таких как CDMA (Code Division Multiple Access - технология с кодовым разделением каналов), GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система для мобильных коммуникаций), TDMA (Time Division Multiple Access - множественный доступ с разделением во времени), 802.11, WAP (Wireless Application Protocol - протокол беспроводных технологий), 3G (третье поколение), GPRS (General Packet Radio Service - услуга пакетной передачи данных), Bluetooth ("голубой зуб", по имени Харальда Голубого Зуба - предводителя викингов, жившего в Х веке), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution - увеличенная скорость передачи данных для GSM), i-mode, говорит о том, что в этой области грядет революция.

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, WPAN);

• беспроводная локальная сеть (wireless lokal-area network, WLAN);

• беспроводная городская сеть (wireless metropolitan-area network, WMAN);

• беспроводная глобальная сеть (wireless wide-area network, WWAN).

Беспроводная персональная вычислительная сеть WPAN представляет собой локальную сеть с малым радиусом действия, обычно не превышающим 15...20 м, и предназначается для замены кабельных соединений между персональными компьютерами, а также для связи с разнообразной периферией и мультимедиа-устройствами (КПК, принтеры, факсы, сканеры, стереосистемы, и т.д.).

Однако некоторые WPAN-сети способны работать на дальности до 100м (ZigBee, Bluetooth). Первым стандартом, способным реализовать данные задачи, стал IEEE 802.15.1. Стандарт базируется на спецификации Bluetooth vl.x и определяет физический уровень (PHY layer) и уровень доступа к среде (MAC layer).

Следующим шагом в расширении семейства 802.15 было создание стандарта, обеспечивающего взаимодействие устройств классов 802.11 и 802.15. Вскоре для устройств, работающих в зоне WPAN-ceтей, оказалось недостаточно скоростей, обеспечиваемых Bluetooth. Возникла потребность в выработке стандарта, позволяющего создавать беспроводной канал данных с пропускной способностью в десятки и сотни Мбит/с (IEEE 802.15.3).

Перечисленные выше стандарты отлично подходят для передачи больших

объемов информации (голоса, данных, видео) с высокой скоростью (от 1 до 200 Мбит/с). Устройства наих основе способны работать в автономном режиме (от батарей и аккумуляторов) на дальности передачи от 10 до 100 м. Эти стандарты позволяют заменить проводные соединения в устройствах, с которыми мы имеем

дело каждый день (компьютеры, вычислительные сети). Однако существует огромное множество на первый взгляд незаметных систем (разнообразные датчики, системы сбора информации и т.д.), обладающих спецификой, вследствие чего в такого рода приложениях невозможно со стопроцентной эффективностью использовать упомянутые технологии. Для реализации подобных задач был выработан стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) для низкоскоростных WPAN-сетей.

Очевидно, что беспроводные сети короткого радиуса действия будут взаимодействовать между собой. Планируется разработать оборудование, выполняющее функции шлюза между разными беспроводными сетями. Так, если система безопасности, построенная на ZigBee, обнаружит злоумышленника, она соединится с сетью IEEE 802.11, чтобы известить об этом компьютер, а тот, в свою очередь, передаст SMS на мобильный телефон хозяина или позвонит в службу охраны.

Технология ZigBee не предназначена для передачи больших объемов информации, как Wi-Fi или Bluetooth. Однако для передачи, например, показаний датчиков, объем которых редко превышает десятков байт, не требуется высоких скоростей — в этом случае обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности. Большинство устройств ZigBee будет работать по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем» состоянии

практически все время, обеспечивая оптимальный режим энергосбережения. При поступлении новой информации либо во время очередного сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова переходит в режим пониженного энергопотребления.

Типовые временные задержки при этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для перехода из «спящего» в активное состояние, 15 мс для доступа к каналу. Так удается продлить срок службы батарей до 10 лет и более в зависимости от типа приложения и длительности рабочего цикла, причем ток при передаче может составлять порядка 15...30 мА, а в «спящем» режиме — менее 2 мкА. В результате, задержки по отклику настолько малы, что человек, войдя в комнату и щелкнув переключателем беспроводной связи ZigBee, даже не заметит, что свет появился почти мгновенно, в то время как задержки при подключении устройств к сети Bluetooth составляют порядка 3 с.

Стандарт IEEE 802.15.4 для беспроводных низкоскоростных персональных

сетей (WPAN) определяет физический уровень PHY и уровень доступа к среде MAC. Уровень PHY обеспечивает доступ к физической среде распространения радиосигнала: задает тип модуляции, скорость и другие параметры сигнала, непосредственно осуществляет прием и передачу. Уровень MAC осуществляет добавление и вывод из сети устройств, контролирует доставку пакетов данных, обеспечивает автоматическое подтверждение приема (квитирования) данных, реализует механизмы доступа к каналу передачи, поддерживает 128-битное AES-шифрование и другие функции.

Спецификация стека ZigBee определяет сетевой уровень, уровни безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с решениями на базе стандарта 802.15.4 для обеспечения совместимости устройств. Ключевые функции PHY-уровня включают в себя контроль энергии и качества связи и анализ каналов. Доступ к среде осуществляется в частотных диапазонах ISM (Industrial, Scientific and Medical), физический уровень использует двоичную

фазовую манипуляцию (BPSK) на частотах 868/915 МГц и квадратичную фазовую манипуляцию со смещением (O-OPSK) на частоте 2,4 ГГц.

Для доступа к каналу используется механизм множественного доступа к

среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA). Данный механизм, основанный на определении состояния канала связи перед началом передачи, позволяет существенно сократить (но не устранить) столкновения, вызванные передачей данных одновременно несколькими устройствами. Стандарт 802.15.4 основывается на полудуплексной передаче данных (устройство

может либо передавать, либо принимать данные), что позволяет использовать

метод CSMA-CA только для предотвращения коллизий, а не для их обнаружения.

Дальность распространения сигнала обычно составляет 30...50 м, однако при использовании внешних усилителей мощности, малошумящих усилителей и согласованной антенны дальность может достигать 100 м без существенных потерь в скорости. Пропускная способность напрямую зависит от выбранной частоты. Максимальная скорость передачи, равная 250 Кбит/с, достигается в диапазоне 2,4 ГГц (16 каналов с шагом 5 МГц). Для частот 868 МГц (1 канал) и 902 — 928 МГц (10 каналов с шагом 2 МГц) скорости передачи равны ответственно 20 Кбит/с и 40 Кбит/с.

Дата добавления: 2014-10-17