Сравнительный анализ наиболее перспективных стандартов беспроводных сетей связи

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ СТАНДАРТОВ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ

Д.С. Коптев, магистр А.Н. Щитов, студент А.Н Шевцов, студент

Юго - Западный государственный университет

Аннотация. Как и во многих других областях, в беспроводной передачи данных нет универсальной технологии. Под каждые конкретные задачи больше подходит та и или иная технология. Если стоит задача предоставить широкополосный доступ к сети для пользователей - то больше, конечно подходит WiMAX, так как эта технология изначально была разработана именно с этой целью. Однако если стоит задача предоставить широкополосный доступ в ограниченном помещении, то технологии WI-FI и WiMAX одинаково хорошо подходят для решения, при условии, что низкий уровень помех или помехи вовсе отсутствуют. А для внедрения беспроводных систем безопасности или видеонаблюдения больше подходит Wi-Fi, так как это направление уже достаточно неплохо развито.

Ключевые слова: беспроводная сеть, стандарт связи, топология, Wi-Fi, WMAN, WLAN, WPAN.

Беспроводная компьютерная сеть - 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. 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 сетевых технологий. В основном, классификационных аспектов выделяют три: дальность действия, топология, область применения.

По дальности действия выделяют 4 вида беспроводных сетей:

1. Беспроводные персональные сети (WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий -Bluetooth.

2. Беспроводные локальные сети (WLAN -Wireless Local Area Networks). Примеры технологий - Wi-Fi.

3. Беспроводные сети масштаба города (WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий -WiMAX.

4. Беспроводные глобальные сети (WWAN - Wireless Wide Area Network). Примеры технологий -CSD, GPRS, EDGE, EV-DO, HSPA.

Основных топологий беспроводных сетей всего две: точка - точка и точка - мно-готочка.

По области применения различают корпоративные (ведомственные) беспроводные сети, создаваемые компаниями для собственных нужд и операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное ото-

бражение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость пе-

IEEE

Остановимся подробнее на беспроводных технологиях WPAN, WLAN и WMAN WPAN - беспроводная сеть, предназначенная для организации беспроводной связи между различного типа устройствами на ограниченной площади (например, в рамках квартиры, офисного рабочего места). Стандарты, определяющие методы функционирования сети, описаны в семействе спецификаций IEEE 802.15. Рассмотрим два наиболее перспективных стандарта: Bluetooth и ZigBee.

Bluetooth - производственная спецификация беспроводных персональных сетей. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры, мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 200 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth

редачи информации и максимальное расстояние.

осуществляется в ISM-диапазоне (Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4 - 2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц. 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

Рис. 2 Сравнение скорости и дальности передачи различных стандартов

беспроводной связи

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 «точка-точка», но и соединение «точка-многоточка».

ZigBee - название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. Этот стандарт описывает беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN). ZigBee нацелена на приложения, которым требуется длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных при небольших скоростях передачи данных.

Спецификация ZigBee 1.0 была ратифицирована 14 декабря 2004 и доступна для членов альянса ZigBee. Сравнительно недавно, 30 октября 2007 г., была размещена спецификация ZigBee 2007. О первом профиле приложения - «Домашняя автоматизация» ZigBee, было объявлено 2 ноября 2007. 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). Как правило, в продаже имеются чипы ZigBee, являющиеся объединёнными радио- и микроконтроллерами с размером

Flash-памяти от 60К до 128К таких производителей, как Jennic JN5148, Freescale MC13213, Ember EM250, Texas Instruments CC2430, Samsung Electro-Mechanics ZBS240 и Atmel ATmega128RFA1.

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.

WLAN (Wireless Local Area Network) -эта категория беспроводной сети предназначена для связи между собой различных устройств, подобно LAN на основе витой пары или оптоволокна, и при этом характеризуется высокой скоростью передачи данных на относительно небольшие расстояния. Взаимодействие устройств описывается семейством стандартов IEEE 802.11, включающим в себя более 20 спецификаций. В связи с этим, многие ошибочно не видят разницы между Wi-Fi и IEEE 802.11.

В настоящее время под Wi-Fi понимается торговая марка, которая показывает, что конкретное устройство отвечает спецификациям 802.11a, 802.11.b, 802.11.g.

Таким образом, семейство IEEE 802.11 можно разделить на три класса 802.11a, 802.11b, 802.11 i/e/.../w, представленных на рисунке 2.

Рис. 2. Классы IEEE 802.11

IEEE 802.11a один из стандартов беспроводных локальных сетей, описывающий принципы функционирования устройств в частотном диапазоне ISM (полоса частот 5,155,825 ГГц) по принципу OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам). Полоса подразделяется на три рабочие зоны шириной 100 МГц, и для каждой зоны определена максимальная излучаемая мощность 50 мВт, 250 мВт, 1 Вт. Предполагается, что последняя зона частот будет использоваться для организации каналов связи между зданиями или наружными объектами, а две другие зоны внутри них. Редакцией стандарта, утвержденной в 1999 г., определены три обязательных скорости 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных 9, 18, 36, 48 и 54 Мбит/с. Однако этот стандарт не принят в России вследствие использования части этого диапазона ведомственными структурами.

Возможным решением этой проблемы может стать спецификация 802.11h, которая дополнена алгоритмами эффективного выбора частот для беспроводных сетей, а также средствами управления использованием спектра, контроля над излучаемой мощностью, а также генерации соответствующих отчетов. Радиус действия устройств в закрытых помещениях составляет около 12 метров на скорости 54 Мбит/с, и до 90 метров при скорости 6 Мбит/с, в открытых помещениях или в зоне прямой видимости около 30 метров (54 Мб/с), и до 300 метров при 6 Мбит/с. Тем не менее, некоторые производители внедряют в свои устройства технологии ускорения, благодаря которым возможен обмен данными в Turbo 802.11а на скоростях до 108 Мб/с.

IEEE 802.11b - первый стандарт, получивший широкое распространение (именно он первоначально носил торговую марку Wi-Fi) и позволивший создавать беспроводные локальные сети в офисах, домах, квартирах. Эта спецификация описывает принципы взаимодействия устройств в диапазоне 2,4 ГГц (2,42,4835 ГГц), разделенном на три неперекрывающихся канала по технологии DSSS (Direct-Sequence

Spread-Spectrum - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра) и, опционально, PBCC (Packet Binary Convolutional Coding - двоичное свёрточ-ное кодирование). Согласно этой технологии модуляции, производится генерирование избыточного набора битов на каждый переданный бит полезной информации, благодаря этому осуществляется более высокая вероятность восстановления переданной информации и лучшая помехозащищенность (шумы и помехи идентифицируются как сигнал с неодинаковым набором битов и потому отфильтровываются).

Стандартом определены четыре обязательные скорости 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с. Что же касается возможного радиуса взаимодействия устройств, то он составляет в закрытых помещениях около 30 метров на скорости 11 Мбит/с, и до 90 метров при скорости 1 Мбит/с, в открытых помещениях или в зоне прямой видимости около 120 метров (11 Мбит/с), и до 460 метров при 1 Мбит/с. В условиях постоянно увеличивающихся потоков данных эта спецификация практически исчерпала себя, и на смену ей пришел стандарт IEEE 802.11g.

IEEE 802.11g стандарт беспроводной сети, явившийся логическим развитием 802.11b, в том смысле, что использует тот же частотный диапазон и предполагает обратную совместимость с устройствами, отвечающими стандарту 802.11b (другими словами, обязательна совместимость 802.11g - оборудования с более старой спецификацией 802.11b). Одновременно с этим, этот представитель семейства спецификаций, как и полагается, попытался взять все лучшее от пионеров 802.11b и 802.11a. Итак, основной принцип модуляции позаимствован у 802.11a OFDM совместно с технологией CCK (Complementary Code Keying - кодирование комплементарным кодом), а дополнительно предусмотрено использование технологии PBCC. Благодаря этому, в стандарте предусмотрены шесть обязательных скоростей 1, 2, 5,5, 6, 11, 12, 24 Мбит/с, и четыре опциональных 33, 36, 48 и 54 Мбит/с. Радиус зоны действия увеличен в

закрытых помещениях до 30 метров (54 Мбит/с), и до 91 метра при скорости 1 Мбит/с, в пределах же прямой видимости связь доступна на расстоянии 120 метров со скоростью 54 Мбит/с, а при удалении на 460 метров возможна работа со скоростью 1 Мбит/с.

Выделенный в отдельный класс набор спецификаций 802.11 i/e/.../w главным образом предназначен для описания функционирования различных служебных компонент и разработки новых технологий и стандартов беспроводной связи. К примеру, работы беспроводных мостов, требований к физическим параметрам каналов (мощность излучения, диапазоны частот), спецификаций, ориентированных на различные категории пользователей и т. д.

В плане надстроек и новых стандартов организации беспроводных сетей из этой группы уже рассмотрен 802.11.h. В качестве еще одного примера обратим внимание на 802.11n. Согласно сообщению международного консорциума EWC (Enhanced Wireless Consortium), использование 802.11n высокоскоростной стандарт, в котором предусмотрена обратная совместимость с 802.11a/b/g, а скорость передачи данных будет достигать 600 Мбит/с. Это позволит использовать его в задачах, где использование Wi-Fi ограничивалось недостаточной скоростью.

IEEE 802.11n -версия стандарта 802.11 для сетей Wi-Fi.

Этот стандарт был утверждён 11 сентября 2009. Стандарт 802.11n повышает скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с (стандарт IEEE 802.11ac до 1.3 Гбит/с), применяя передачу данных сразу по четырем антеннам. По одной антенне - до 150 Мбит/с.

Устройства 802.11n работают в диапазонах 2,4-2,5 или 5,0 ГГц.

Кроме того, устройства 802.11n могут работать в трёх режимах:

- наследуемом (Legacy), в котором обеспечивается поддержка устройств 802.11b/g и 802.11a;

- смешанном (Mixed), в котором поддерживаются устройства 802.11b/g, 802.11a и 802.11n;

-«чистом» режиме - 802.11n (именно в этом режиме и можно воспользоваться преимуществами повышенной скорости и увеличенной дальностью передачи данных, обеспечиваемыми стандартом 802.11n).

Черновую версию стандарта 802.11n (DRAFT 2.0) поддерживают многие современные сетевые устройства. Итоговая версия стандарта (DRAFT 11.0), которая была принята 11 сентября 2009 года, обеспечивает скорость до 600 Мбит/с, Многоканальный вход/выход, известный, как MIMO и большее покрытие. На 2011 год, имеется небольшое количество устройств соответствующих финальному стандарту. Например у компании D-LINK, основная продукция проходила стандартизацию в 2008 году. Существуют добропорядочные компании, занимающиеся перестандартизацией основной продукции.

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 ГГц. Так как это сантиметровый и миллиметровый диапазон, то необходимо условие «прямой видимости». Стандарт поддерживает топологию «точка-многоточка», 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 МГц.

Стандарт 802.16a последовал за стандартом 802.16. Он был опубликован в ап-

реле 2003 и использует диапазон частот от 2 до 11 GHz. Стандарт поддерживает ячеистую топологию (mesh networking). Стандарт не накладывает условие «прямой видимости».

802.16e (mobile WiMAX) - технология беспроводного подключения к интернету, разработанная южнокорейскими телекоммуникационными компаниями (WiBro (сокращение от Wireless Broadband)).

В технологии использует временное мультиплексирование, ортогональное разделение частот, ширина канала в 8,75 МГц. Предполагалось достичь большей скорости передачи данных, чем могут использовать мобильные телефоны (как в стандарте CDMA 1x) и обеспечить мобильность для широкополосных подключений.

В феврале 2002 г. корейское правительство выделило 100 МГц-полосу в диапазоне 2,3-2,4 ГГц, а в 2004 году спецификации были зафиксированы в корейском стандарте WiBro Phase 1, которые затем были внесены в международный стандарт IEEE 802.16e (Mobile WiMAX). Базовые

станции этого стандарта обеспечивают суммарную пропускную способность до 30-50 Мбит/с на каждого оператора и могут покрывать радиус от 1 до 5 км. Подключение сохраняется для движущихся объектов при скорости до 120 км/ч, что значительно лучше, чем у локальных беспроводных сетей - их ограничение приблизительно равно скорости пешехода, но хуже, чем сетей сотовой связи - до 250 км/ч. Реальное тестирование сети в г. Пусан во время проведения саммита АТЭС показало, что реальные скорости и ограничения значительно ниже, чем в теории.

Стандарт поддерживает QoS - приоритеты в передаче данных разного типа, что позволяет надежно передавать видеопотоки и другие данные, чувствительные к задержкам в канале. В этом заключаются преимущества стандарта перед стационарным WiMAX (802.Ш). Также его требования значительно больше проработаны в деталях, чем в стандарте WiMAX. На основе описанных стандартов, можно сделать следующую таблицу сравнений.

Рис. 3 Сравнение дальности работы сетей WPAN, WLAN и WMAN

Таблица 1. Сравнительный анализ стандартов беспроводной связи

Стандарт Технология Частота Пропускная способность Радиус действия Использование

802.11а Wi-Fi 5 ГГц до 54 Мбит/с до 300 метров WLAN

802.11b Wi-Fi 2,4 ГГц до 11 Мбит/с до 300 метров WLAN

802.11g Wi-Fi 2,4 ГГц до 54 Мбит/с до 300 метров WLAN

802.11n Wi-Fi 2,4 - 2,5 или 5 ГГц до 450 Мбит/с в перспективе до 600 Мбит/с) до 300 метров WLAN

802.16d WiMax 1,5 - 11 ГГц до 75 Мбит/с 25-80 км WMAN

802.16e WiMax 2,3 - 13,6 ГГц до 40 Мбит/с 1-5 км Mobile WMAN

802.16m WiMax 2 стандарт в разработке до 1 Гбит/с, до 100 Мбит/с (Mobile WMAN) стандарт в разработке WMAN, Mobile WMAN

802.15.1 Bluetooth v.1.1 2,4 ГГц до 1 Мбит/с до 10 метров WPAN

802.15.3 Bluetooth v.2.0 2,4 ГГц до 2,1 Мбит/с до 100 метров WPAN

802.11 Bluetooth v.3.0 2,4 ГГц от 3 Мбит/с до 24 Мбит/с до 100 метров WPAN

802.15.3а UMB 7,5 ГГц 110 - 480 Мбит/с до 10 метров WPAN

802.15.4 ZigBee 2,4 ГГц (16 каналов) 915 МГц (10 каналов), 868 МГц (один канал) От 20 до 250 кбит/с 1 - 100 м WPAN

IrDa Инфракрасный порт До 16 Мбит/с От 5 до 50 см WPAN

Таким образом, в ходе проведенного сравнительного анализа были получены результаты, позволяющие оптимально выбрать топологию беспроводной сети (стандарт связи), необходимую для поддержания качественного соединения, как на больших, так и на маленьких расстоя-

ниях, в том или ином частотном диапазоне. Огромный выбор предоставляется пользователям по скорости передачи. Каждый выбирает свою в зависимости от потребностей получения различных объемов информации.

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE MOST PROMISING STANDARD

WIRELESS NETWORKS

D.S. Koptev, master

A.N Shchitov, student

A.N. Shevtsov , student

South - Western state university

Abstract. As in many other areas, wireless data transmission is no universal technology. For each specific task, and that is more suitable or other technology. If the task is to provide broadband access to the network for users - the more, of course fit the WiMAX, since the technology was originally designed for this purpose. However, if the task is to provide broadband access to a limited room, the WI-FI and WiMAX technology is equally well suited for the solutions, provided that a low level of interference or no interference at all. And for the introduction of wireless security systems or video surveillance is more suitable Wi-Fi, as this area is already quite well developed.

Keywords: wireless network communication standard topology, Wi-Fi, WWAN, WLAN, WPAN.