II. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СТАНДАРТЫ ПО БЕСПРОВОДНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ СВЯЗИ
2.1. Необходимость стандартизации беспроводных технологий связи. Организации стандартизации
Стандартизация имеет большое значение в развитии и распространении сетей. Именно стандарты являются тем фундаментом, на котором строится взаимодействие технологий и устройств от разных производителей. А для беспроводных сетей они важны вдвойне. Объяснение этому достаточно простое. Дело в том, что все передатчики, использующиеся в беспроводных устройствах, излучают в радиочастотном диапазоне (исключением являются ИК устройства которые постепенно вытесняются более современными технологиями). Таким образом, в процессе работы они занимают определенную полосу частот, в котором сигнал еще может быть определен приемным устройством. Однако сегодня радиочастотный спектр - весьма дефицитный ресурс, бдительно защищаемый регуляторными органами в каждой стране. Это, в частности, связано с применением радиосвязи в работе некоторых критически важных для жизнеобеспечения и обеспечения безопасности служб (например, диапазон 5 ГГц применяемый в беспроводных технологиях в ряде Европейских стран используется в радиолокации). Кроме этого, радиочастотный диапазон используется в различных областях связи, и в этом случае необходимо предотвратить интерференцию. Как результат, радиоспектр делится на ряд полос, большинство из них либо запрещены для коммерческого применения, либо требуют лицензирования. Поэтому все полосы частот используемые различными технологиями радиосвязи должны быть строго стандартизированы, т. е. согласованы между собой. Необходимость в стандартизации также возникает по той причине что, разработкой одной и той же технологии занимаются большое количество организаций. Следовательно, возникает вопрос о совместимости этих устройств. Без введения определенных стандартов на разработку той или иной технологии, нельзя говорит о ее успешном развитии (как это было на ранних этапах разработки ИК устройств).
Порядок работы организаций стандартизации по принятию стандартов может отличаться. Однако он схож в том, что производится несколько этапов разработки и обсуждения новых технологий, разработки проектов стандартов, голосования по всем или некоторым аспектам этих стандартов и, наконец, официального выпуска завершенных стандартов.
Наиболее известными организациями стандартизации являются следующие:
1. Международная организация стандартизации (International Standard Organization, ISO) - является автором стандартов в различных областях деятельности, включая стандарты по телекоммуникациям. Членами ISO являются национальные организации стандартизации. Участие в ISO является добровольным. Наиболее известным стандартом ISO в области телекоммуникаций является эталонная модель взаимодействия открытых систем.
2. Телекоммуникационный сектор стандартизации Международного союза электросвязи (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union, ITU-T) - специализированный орган ООН, с 1993 года преемник Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) - международная организация, разрабатывающая стандарты в области связи. Стандарты ITU-T охватывают практически всю область телекоммуникаций.
3. Европейский институт стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standards Institute, ETSI). Определяет единую техническую политику в области телекоммуникаций для стран - членов Европейского сообщества. Наиболее известным стандартом ETSI является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи GSM.
4. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (Conference of European Posts and Telegraphs, CEPT).
5. Европейская ассоциация производителей ЭВМ (European Computer Manufactures Association, ECMA).
6. Американский Национальный Институт Стандартизации (American National Standard Institute, ANSI)- является координирующим органом добровольных групп по стандартизации в пределах США. ANSI является членом ISO.
7. Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission, FCC) США. Правительственная организация США, занимающаяся регулированием в отрасли связи, в том числе распределением спектра радиочастот.
8. Совет по Регуляции Работы Internet (Internet Activities Board, IAB) - Совет определяет основную политику в области глобальной сети Internet. Включает в себя два подкомитета: исследовательский - IRTF (Internet Reseach Task Forse) и стандартизации - IETF (Internet Engineering Task Forse).
9. Институт Инженеров по Электротехнике и Электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) - профессиональная организация, разрабатывающая стандарты для сетей. Институт был создан в США в 1963 году. Наибольшую известность получила серия стандартов 802, ответственность за которые несет Комитет IEEE 802. Сегодня Комитет IEEE 802 включает следующий ряд подкомитетов:
1. 802.1 - Internetworking - объединение сетей;
2. 802.2 - Logical Link Control (LLC) - управление логической передачей данных;
3. 802.3 - Ethernet с методом доступа CSMA/CD;
4. 802.4 - Token Bus LAN - локальные сети с методом доступа Token Bus;
5. 802.5 - Token Ring LAN - локальные сети с методом доступа Token Ring;
6. 802.6 - Metropolitan Area Network, MAN - сети мегаполисов;
7. 802.7 - Broadband Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по широкополосной передаче;
8. 802.8 - Fiber Optic Technical Advisory Group - техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;
9. 802.9 - Integrated Voice and data Networks - интегрированные сети передачи голоса и данных;
10. 802.10 - Network Security - сетевая безопасность;
11. 802.11 - WLAN;
12. 802.12 - Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN - локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами;
13. 802.15 - WPAN;
14. 802.16 - WMAN.
Следует отметит что, здесь приведены только основные спецификации применяемые на сегодняшний день. Далее мы рассмотрим упомянутые в предыдущих главах стандарты семейства IEEE 802, а именно 802.11, 802.15 и 802.16.
2.2. Стандарты семейства IEEE 802.11
Стандарт IEEE 802.11- это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т. е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. IEEE 802.11- первый промышленный стандарт для WLAN.
Базовый стандарт IEEE 802.11 определяет три метода передачи на физическом уровне:
- Передача в диапазоне ИК волн;
- Технология FHSS;
- Технология DSSS.
Передача в диапазоне ИК волн осуществляется ИК волнами диапазона 850 нм, которые генерируются либо полупроводниковым лазерным диодом, либо светодиодом. Так как инфракрасные волны не проникают через стены, область покрытия сети ограничивается зоной прямой видимости. Стандарт предусматривает три варианта распространения излучения: ненаправленное и фокусное направленное излучение. В первом случае узкий луч рассеивается с помощью системы линз. В этом случае организация сети основывается на отражении ИК-волн от стен. Фокусное направленное излучение предназначено для организации двухточечной связи, например, между двумя зданиями.
Беспроводные локальные сети FHSS поддерживают скорости передачи 1 и 2 Мбит/с. Устройства FHSS делят предназначенную для их работы полосу частот от 2,400 до 2,483 ГГц на 79 неперекрывающихся каналов (это справедливо для Северной Америки и большей части Европы). Ширина каждого из 79 каналов составляет 1 МГц, поэтому беспроводные локальные сети FHSS используют относительно высокую скорость передачи символов и намного меньшую скорость перестройки с канала на канал.
В технологии DSSS пользовательские данные представляются в виде последовательности импульсов (чипов). В результате спектр сигнала расширяется вдоль оси частот. В DSSS-интерфейсе сетей стандарта IЕЕЕ 802.11 в качестве расширяющей последовательности используется 11-элементный код Баркера: 
. Каждая информационная единица замещается на последовательность 
, каждый ноль на инверсию . В результате каждый бит передаваемого сигнала заменяется на 11 разрядную последовательность. После расширения сигнала данных ширина спектра сигнала составляет приблизительно 22 МГц (ширина одного канала Wi-Fi составляет именно 22 МГц.).
Подобно проводному Ethernet, IEEE 802.11 определяет протокол использования единой средой передачи, получивший название метода множественного доступа с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance). Контроль несущей означает лишь то, что канал прослушивается устройством. Прослушивание канала начинается предварительной посылкой короткого сообщения, называемого Ready To Send (RTS - готовность к передаче), оно информирует другие узлы о продолжительности предстоящей передачи и адресате. Для передачи данных приемная станция должна ответить на RTS посылкой Clear To Send (CTS - готовность к приему). Это позволяет передающему узлу узнать, свободна ли среда и готов ли приемный узел к приему. После определения незанятости канала, для предотвращения коллизий (конфликтов), выбирается случайное время ожидания в некотором временном промежутке и производится передача данных. После получения пакета данных приемный узел должен передать подтверждение факта безошибочного приема. Если подтверждение не получено, попытка передачи пакета данных будет повторена. Такой подход позволяет значительно улучшить пропускную способность системы.
В стандарте предусмотрено обеспечение безопасности данных, которое включает аутентификацию для проверки того, что узел, входящий в сеть, авторизован в ней, а также шифрование для защиты от подслушивания.
В основу стандарта IEEE 802.11 положена сотовая архитектура. Сеть может состоять из одной или нескольких ячеек (сот). Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа. Точка доступа и находящиеся в пределах радиуса ее действия рабочие станции образуют BSS. Инфраструктура, включающая в себя множество точек доступа, образует ESS (см. глава1).
В настоящее время существует множество стандартов семейства IEEE 802.11:
1. 802.11 - первоначальный основополагающий стандарт. Поддерживает передачу данных по радиоканалу со скоростями 1 и 2 (опционально) Мбит/с;
2. 802.11a - высокоскоростной стандарт WLAN. Поддерживает передачу данных со скоростями до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 5 ГГц;
3. 802.11b - самый распространенный стандарт. Поддерживает передачу данных со скоростями до 11 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц;
4. 802.11c - стандарт, регламентирующий работу беспроводных мостов. Данная спецификация используется производителями беспроводных устройств при разработке точек доступа;
5. 802.11d - стандарт определял требования к физическим параметрам каналов (мощность излучения и диапазоны частот) и устройств беспроводных сетей с целью обеспечения их соответствия законодательным нормам различных стран;
6. 802.11e - создание данного стандарта связано с использованием средств мультимедии. Он определяет механизм назначения приоритетов разным видам трафика - таким, как аудио - и видеоприложения;
7. 802.11f - данный стандарт, связанный с аутентификацией, определяет механизм взаимодействия точек связи между собой при перемещении клиента между сегментами сети. Другое название стандарта - Inter Access Point Protocol;
8. 802.11g - устанавливает дополнительную технику модуляции (OFDM) для частоты 2,4 ГГц. Предназначен, для обеспечения скоростей передачи данных до 54 Мбит/с по радиоканалу в диапазоне около 2,4 ГГц;
9. 802.11h - разработка данного стандарта связана с проблемами при использовании 802.11а в Европе, где в диапазоне 5 ГГц работают некоторые системы спутниковой связи. Для предотвращения взаимных помех стандарт 802.11h имеет механизм «квазиинтеллектуального» управления мощностью излучения и выбором несущей частоты передачи. Стандарт, описывающий управление спектром частоты 5 ГГц для использования в Европе и Азии;
i - целью создания данной спецификации является повышение уровня безопасности беспроводных сетей. В ней реализован набор защитных функций при обмене информацией через беспроводные сети - в частности, технология AES (Advanced Encryption Standard- улучшенный стандарт шифрования) - алгоритм шифрования, поддерживающий ключи длиной 128, 192 и 256 бит;
j - спецификация предназначена для Японии и расширяет стандарт 802.11а добавочным каналом 4,9 ГГц;
n - перспективный стандарт, находящийся на сегодняшний день в разработке, который позволит поднять пропускную способность сетей до 140 Мбит/сек (теоретически до 600 Мбит/с);
r - данный стандарт предусматривает создание универсальной и совместимой системы роуминга для возможности перехода пользователя из зоны действия одной сети в зону действия другой.
Из всех существующих стандартов беспроводной передачи данных IEEE 802.11, на практике наиболее часто используются всего три, это: 802.11a, 802.11b и 802.11g. В табл.2.2.1 приводится сравнительный анализ трех стандартов.
Табл.2.2.1.
Стандарт | 802.11a | 802.11b | 802.11g |
Количество используемых радиоканалов | 8 не перекрывающихся | 3 не перекрывающихся | 3 не перекрывающихся |
Частотный диапазон | 5 ГГц | 2,4 ГГц | 2,4 ГГц |
Макс. скорость передачи данных | 54 Мбит/с | 11 Мбит/с | 54 Мбит/с |
Примерная дальность действия | 12 м при 54 Мб/с | 30 м при 11 Мб/с | 15 м при 54 Мб/с |
Стандарт IEEE 802.11a имеет большую ширину полосы из семейства стандартов IEEE 802.11. В отличие от базового стандарта, здесь предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. Он предусматривает также мультиплексирование с ортогональным делением частот (OFDM, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), более эффективную технику кодирования, предусматривающую разделение исходного сигнала на передающей стороне на несколько подсигналов. Такой подход позволяет уменьшить воздействие помех. К недостаткам IEEE 802.11a относятся более высокая потребляемая мощность радиопередатчиков для частот 5 ГГц, а так же меньший радиус действия.
Стандарт IEEE 802.11b благодаря высокой скорости передачи данных, практически эквивалентной пропускной способности обычных проводных локальных сетей Ethernet, а также ориентации на диапазон 2,4 ГГц, завоевал наибольшую популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей. Поскольку оборудование, работающее на максимальной скорости 11 Мбит/с имеет меньший радиус действия, чем на более низких скоростях, то стандартом IEEE 802.11b предусмотрено автоматическое понижение скорости при ухудшении качества сигнала. На некоторое время, благодаря своей стоимости, он получил широкое распространение, но сейчас вытесняется более быстрыми стандартами по мере их удешевления.
Стандарт IEEE 802.11g является логическим развитием IEEE 802.11b и предполагает передачу данных в том же частотном диапазоне. Кроме того, стандарт IEEE 802.11g полностью совместим с IEEE 802.11b, то есть любое устройство IEEE 802.11g должно поддерживать работу с устройствами 802.11b. Максимальная скорость передачи в стандарте 802.11g составляет 54 Мбит/с, поэтому на сегодняшний день это наиболее перспективный стандарт беспроводной связи.
Поскольку клиентские станции могут быть мобильными устройствами с автономным питанием, в стандарте IEEE 802.11 большое внимание уделено вопросам управления питанием. В частности, предусмотрен режим, когда клиентская станция через определенные промежутки времени «просыпается», чтобы принять сигнал включения, который, возможно, передает точка доступа. Если этот сигнал принят, клиентское устройство включается, в противном случае оно снова «засыпает» до следующего цикла приема информации.
2.3. Стандарты семейства IEEE 802.15
IEEE 802.15- это стандарт, опубликованный в 2001 году для сетей WPAN. В дальнейшем в него вошли разработки ряда проектов: от 802.15.1 до 802.15.5. Коротко рассмотрим особенности каждой из спецификаций:
1. IEEE 802.15.1- стандарт требований к беспроводному обмену между WPAN сетями. Типичным представителем этого стандарта является Bluetooth. Здесь весь диапазон разбит на 79 каналов шириной 1 МГц каждый. Стандарт предпологает работу устройства в диапазоне 24,5 МГц. В верхней и нижней частях диапазона предусмотрены защитные неиспользуемые полосы шириной 2,5 и 2 МГц соответственно. Согласно этому стандарту все передающие устройства делятся на три класса:
- первый класс - выходная мощность до 100 мВт;
- второй класс - выходная мощность до 2,5 мВт;
- третий класс - выходная мощность до 1 мВт.
2. IEEE 802.15.2- опубликован в 2003 году и определяет сосуществование WPAN сетей с другими беспроводными приборами, работающими в нелицензированных диапазонах частот;
3. IEEE 802.15.3- обеспечивает скорость передачи данных до 55 Мбит/с на расстоянии до 100 метров, одновременно работать в такой сети могут до 245 пользователей. При возникновении помех со стороны других бытовых устройств или иных сетей, сети на основе IEEE 802.15.3 будут автоматически переключать каналы. Также поддерживается скорости передачи данных - 11, 22, 33 и 44 Мбит/с;
4. IEEE 802.15.3a - отличается от предыдущего варианта некоторыми изменениями на физическом уровне. Были усовершенствованы радиотехнологии для WPAN;
5. IEEE 802.15.4- предусматривает небольшую дальность действия (около 10 м) и пропускную способность канала - до 250 кбит/с. Передача на этой скорости ведется в диапазоне 2,4 ГГц. Небольшая мощность и скорость обусловлены малыми энергоресурсами связываемых устройств. Доступны также диапазоны 858 МГц (20 кбит/с) и 902-928 МГц (40 кбит/с);
6. IEEE 8 - стандарт обеспечивает передачу информации на очень больших скоростях (сотни Мбит/с) на малые расстояния;
7. IEEE 802.15.5- предназначен для разработки сложных многосвязных («ячеистых») сетей WPAN.
Самыми распространенными среди перечисленных стандартов являются IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.4 и IEEE 8.
Стандарт IEEE 802.15.1 определяет работу практически всех Bluetooth устройств. Более подробно это технология была рассмотрена в главе 1.
Cтандарт IEEE 802.15.4 ориентирован, главным образом, на использование в качестве средства низкоскоростной связи между автономными приборами и оборудованием. Этот стандарт определяет работу главного конкурента Bluetooth технологии - ZigBee. Данный стандарт, активно продвигается организацией ZigBee Aliance. Технология ZigBee предусматривает небольшую дальность действия (около 10 м) и пропускную способность канала (до 250 Кбит/с). Передача на этой скорости ведётся в диапазоне 2,4 ГГц. Небольшая мощность и скорость обусловлены малой потребляемой мощностью связываемых устройств. Доступны также диапазоны 858 МГц (20 Кбит/с) и 9МГц (40 Кбит/с). 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. Таким образом, стандарт IEEE 802.15.4 предлагает разработчикам возможность создавать недорогие продукты с очень низким потреблением мощности и чрезвычайно гибкими функциями поддержки беспроводных сетей.
Cтандарт IEEE 8 определяет работу технологии сверхширокополосной (Ultra Wideband, UWB) связи основанная на передаче множества закодированных импульсов очень малой мощности (0,05 мВт) и малой длительности (менее 1 нс) в широком диапазоне частот (3,1- 10,6 ГГц). Передача данных на расстояние до 5 метров осуществляется со скоростью 4Мбит/сек. При помощи UWB-технологии можно создавать специальные сети, в которых несколько сверхширокополосных устройств смогут поддерживать связь между любыми узлами. Короткие сигналы UWB сравнительно устойчивы к многолучевому затуханию, возникающему при отражении волны от стен, потолка, зданий, транспортных средств. Высокоскоростные UWB-устройства хорошо подходят для работы с видеопотоками и приложениями, требующими быстрой пересылки данных. Низкоскоростное UWB-оборудование может применяться для отслеживания местоположения на местности владельцев беспроводных устройств и различных объектов. Для мобильных устройств немаловажным является тот факт, что в широком спектре требуется гораздо меньше затрат энергии, чем для передачи узкополосного сигнала, в силу разного уровня сигнала: в широком спектре можно использовать шумоподобные сигналы с малым отношением сигнал/шум. Поэтому чипы UWB экономичнее, чем, например, чипы Bluetooth, обладая при этом намного большей пропускной способностью.
2.4. Стандарты семейства IEEE 802.16
IEEE 802.16- стандарт, определяющий технологию беспроводного широкополосного доступа и предназначенная для построения широкополосной беспроводной сети WMAN. Первая версия стандарта была принята в декабре 2001 года. В 2003 и 2004 годах к нему было сделано ряд дополнений. Стандарт содержит спецификации интерфейсов в частотном диапазоне 10-66 ГГц и 2-11 ГГц, а также отдельно регламентирует применение частотного диапазона 5-6 ГГц. Достигнутая скорость передачи данных- 120 Мбит/с. Стандарт ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Первые версии стандарта из-за малой дальности обеспечиваемой связи (только в пределах прямой видимости) распространения не получили. В стандарте версии 2004 года этот недостаток был устранен.
Сеть на основе стандарта IEEE 802.16 по своей структуре очень схожа с сотовыми сетями связи. Базовая станция, размещается в здании или на вышке и осуществляет связь со станциями клиентов по схеме «точка-многоточка». Возможен также сеточный режим связи, когда любые клиенты могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются всенаправленными. Базовая станция предоставляет соединение с основной сетью и другими станциями. Клиентская станция может выполнять функции повторителя для организации локального трафика. Трафик может проходить через несколько повторителей, прежде чем достигнет клиента. Такие повторители используются часто тогда, когда между конечными точками канала нет прямой видимости. Антенны в этом случае являются направленными с возможностью дистанционной настройки. Терминальная станция клиента обычно имеет остронаправленную антенну. По этой причине положение антенны должно быть жестко фиксировано и устойчиво к ветру и другим потенциальным источникам вибрации.
На сегодняшний день разработаны 4 спецификации стандарта IEEE 802.16: 802.16a, 802.16d, 802.16e и 802.16f:
1. IEEE 802.16a - усовершенствованный базовый стандарт построения беспроводных городских сетей. Принят в январе 2003 года и определяет использование частотного диапазона 2-11 ГГц для беспроводного стационарного подключения к Интернету через публичные точки доступа стандартов IEEE 802.11b/g/a. Технические характеристики стандарта: зона связи (покрытия)- до 50 км, максимальная скорость двунаправленной передачи данных - до 70 Мбит/с на один сектор одной базовой станции, количество секторов типовой базовой станции - 6, количество поддерживаемых локальных сетей одной базовой станцией - до 60;
2. IEEE 802.16d - разработан рабочей группой Regulatory Working Group консорциума WiMax Forum, принят в июле 2004 года, получил также наименование IEEE 802.16-2004 или стандарт для направленной радиосвязи при отсутствии прямой видимости - NLOS (Non Line of Sight). Технология NLOS обеспечивает соединения вне зоны прямой видимости за счет отражения сигналов в полосе частот 2-11 ГГц. Одна из основных областей применения NLOS-подключение общедоступных точек доступа IEEE 802.11 к Интернету. Обеспечивает возможность работы в сети устройств с комнатными антеннами. 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. Не смотря на это используется также полоса в районе 700 MГц, которая в ряде стран используется для телевизионной трансляции программ в дециметровом диапазоне волн. В США в связи с переходом на цифровое телевидение начался процесс освобождения этой полосы;
3. IEEE 802.16e - был принят в декабре 2005 года под названием IEEE 802.16-2005. Обеспечивает решение вопроса роуминга между сетями различных беспроводных стандартов, в частности, возможности перехода из беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 в сети IEEE 802.16 и обратно. Пользователи сетей стандарта IEEE 802.11 получают услуги беспроводного доступа только на территории доступа Hot-Spot. Покидая эту территорию, они теряют возможность соединения. Здесь также оптимизирована поддержка мобильных пользователей, версия поддерживает также функцию handover. Возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости;
4. IEEE 802.16f - стандарт сеточной топологии сети беспроводного широкополосного доступа, которая позволяет перебрасывать данные «из точки в точку», огибая холмы и другие препятствия, улучшая качество покрытия одной базовой станцией обслуживаемой территории.
