Научно обоснованная классификация средств и методов построения систем беспроводной передачи данных

соответствующие запросы компьютера последовательно вводятся данные почернений и концентрации элементов основного и дополнительного стандартных образцов предприятия. В последующем после нажатия клавиши Enter на экране высвечивается концентрация элемента исследуемой пробы.

В заключение сравниваются все три полученные результата и делается соответствующий вывод о содержании элемента в пробе.

С.Г. МИРОНОВ

Омский государственный технический университет

УДК 681.327.8

Проблема надежной передачи данных между удаленными компьютерами решается путем создания локальной или глобальной сети. Традиционно используемые для этих целей проводные линии связи удовлетворяют потребности большинства пользователей. Пропускная способность оптоволоконных, коаксиальных и линий связи на витой паре, реализованных с использованием современных технологий, позволяет добиться достаточно хороших результатов. Однако, кабельное хозяйство-это дорогостоящая недвижимость, требующая достаточно больших начальных капитальных вложений.

Произошедший в начале 90-х годов технологический прорыв в области производства компонентов СВЧ оборудования и цифровой обработки сигналов привел к резкому расширению рынка средств радиосвязи. Выделение для данных целей новых частотных диапазонов, разработка и принятие новых международных стандартов, падение цен на аппаратуру связи способствовало развитию технологии и алгоритмов обработки сигналов для создания систем беспроводной передачи данных. Вопрос проектирования таких систем, несмотря на достаточно большое внимание со стороны зарубежных производителей, еще не нашел своего однозначного решения, что связано как с государственными ограничениями в области использования радиочастотного спектра, различными в разных странах, так и с совершенно разнообразными требованиями, предъявляемыми пользователями к устройствам данного класса.

Достаточно большой сектор беспроводной передачи данных можно разделить на три основных части:

• мобильная связь;

• передача данных внутри здания;

• передача данных между зданиями.

Мобильная связь достаточно распространена на Западе и обеспечивает передачу данных на относительно низких скоростях (не выше 19,2 Кбит/с). К данному виду относятся в основном индивидуальные пользователи и сегменты корпоративных сетей с невысокими требованиями к пропускной способности системы. К данным системам относятся в основном сотовые сети с коммутацией пакетов (Cellular Digital Packet Data, CDPD) и с коммутацией каналов. Для построения сетей, работающих с большими объемами передаваемой информации, такие низкие скорости обычно непригодны.

Внутри зданий к беспроводным технологиям прибега-

ОДИНЕЦ Александр Ильич - доцент кафедры "Радиотехнические устройства и системы диагностики" Омского государственного технического университета, к.т.н.

РУДЕНКО Евгений Григорьевич - генеральный директор ОАО "Омскагрегат", к.т.н.

КАЗАКОВ Николай Степанович - зам. директора ООО "НИИ "Автоматизация", к.т.н.

МОРОЗОВ Алексей Валерьевич - зам. начальника учебного центра при Минюсте России по Владимирской обл.

ют, прежде всего, тогда, когда кабельные работы невозможны (по техническим, организационным или экономическим причинам) либо когда необходимо обеспечить обмен данными с пользователями, перемещающимися в пределах зданий.

Передача данных между зданиями требуется в основном для передачи информации между удаленными подразделениями организаций и применяется в основном там, где нецелесообразна прокладка кабельного хозяйства или существует острая необходимость в передаче информации до окончания работ по созданию проводной сети. Требуемые скорости передачи данных в данном случае составляют 1 -20 Мбит/с.

Основными исходными параметрами, на которые следует обратить пристальное внимание при проектировании беспроводных сетей передачи данных, являются:

•диапазон частот;

• пропускная способность канала связи;

• дальность связи;

• помехоустойчивость;

• взаимные помехи;

• защита от несанкционированного доступа;

• поддержка роуминга (возможность связи с подвижными объектами).

В настоящее время существует достаточно обширная номенклатура радиооборудования, которую можно разделить на следующие категории:

• радиорелейные системы с пропускной способностью 2-20 Мбит/с. Дальность связи может быть более 10 км и обеспечивается путем построения ретрансляционных станций через 15-30 км;

• радиомодемы производительностью 0.01-2 Мбит/с используются для быстрого построения персональных линий связи длиной до 100 км. Радиомодемы могут быть использованы в режиме радиорелейных линий.

• сетевое радиооборудование предназначено для объединения достаточно большого количества пользователей в единую сеть, подобную кабельной. Это оборудование также позволяет объединять локальные сети, разнесенные на расстояние до 15 км.

На основании существующих стандартов формирования радиосигналов для "гражданских" диапазонов частот можно выделить два основных вида сигналов для передачи информации:

НАУЧНО ОБОСНОВАННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ_

НА ОСНОВЕ РАССМОТРЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ О ПОСТРОЕНИИ УЗКОПОЛОСНЫХ И ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ РАЗРАБОТАНА КЛАССИФИКАЦИЯ ПУТЕЙ И МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДА ЧИ ДАННЫХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГО УРОВНЯ ПОМЕХ И ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.

узкополосные сигналы;

широкополосные сигналы.

Уэкополосные сигналы передаются в относительно узкой полосе радиоспектра, и основным их недостатком является то, что для передачи требуется значительная энергия, и, следовательно, этот сигнал становится сильным источником помех и, наоборот, сам оказывается уязвимым для помех.

Эти проблемы удается решать, используя широкополосный сигнал. Стандарт 802.11 (Radio-Ethernet) - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. Такой канал, согласно этому стандарту, может быть организован по любой из следующих трех технологий:

• световая передача в инфракрасном спектре,

• широкополосный сигнал по методу прямой последовательности (DSSS),

• широкополосный сигнал по методу частотных скачков (FHSS).

Инфракрасные лучи требуют не только прямой видимости, но также чувствительны к погодным условиям; поэтому эта технология предлагается к использованию только внутри помещений. Обе широкополосные технологии (DSSS и FHSS) предлагаются в двух частотных диапазонах: один в районе частоты 915 МГц, другой в диапазоне от 2400 МГц до 2483,5 МГц (т.е. от 2,4 ГГц до 2,4835 ГГц).

Диапазон 915 МГц не требует прямой видимости, в отличие от диапазона 2,4 ГГц; но поскольку в Европе (и России) он сильно загружен другими средствами связи, для Европы он предлагается к использованию только внутри зданий. Диапазон же 2,4 ГГц предлагается к использованию как внутри зданий, так и снаружи. При наружном использовании мощность передатчика не должна превышать 100 милливатт; при внутреннем - его не должно быть «слышно» снаружи здания.

Одним из способов формирования широкополосного сигнала является метод частотных скачков (frequency hopping spread spectrum - FHSS). В упрощенном виде его можно представить следующим образом: каждый из последующих бит информации «перескакивает» на другую несущую частоту (одну из 79, определенных стандартом 802.11 для FHSS). Порядок чередования поднесу щих определяется псевдослучайной последовательностью. Не зная ее, принять передачу невозможно. Каждая пара приемник-передатчик работает с одной и той же последовательностью. Очевидно, что если в непосредственной близости друг от друга работают несколько таких пар, использующих разные последовательности скачков частоты, то они друг другу не мешают. Если же в некоторый момент чьи-то несущие случайно совпадут и соответствующие данные будут испорчены, то эту ошибку можно выявить (например, с помощью протоколов более высоких уровней), и необходимый фрагмент (очень небольшой) будет передан еще раз. Точно таким же образом обеспечивается и помехозащищенность передачи по отношению к узкополосным помехам - если помехи случайно совпадут по частоте с одной из несущих, придется повторно передать очень небольшую часть общего объема данных. Отметим, что по интенсивности радиосигнал, передаваемый по методу FHSS, не уступает узкополосному сигналу, и поэтому активно работающие ШПС-средства вполне могут служить источником помех для других устройств.

Еще дальше от традиционной узкополосной модуляции находится метод прямой последовательности (direct sequence spread spectrum - DSSS). Здесь передаваемый сигнал вначале преобразуется в псевдослучайную последовательность более коротких и менее энергоемких импульсов, называемых чипами, каждый из которых передается на своей несущей (по стандарту 802.11 их всего 11). Получается широкополосный сигнал с распределенной энер-

гией, для приема которого нужно соответствующим образом декодировать самую псевдослучайную последовательность чипов. В результате, даже если интенсивность полезного сигнала на каждой несущей составляет тот же порядок, что и интенсивность фона, приемник все равно сможет выделить полезный сигнал, поскольку, грубо говоря, известно, «где его искать». Именно поэтому для обозначения ШПС, передаваемого по методу прямой последовательности, часто используют термин «шумоподобный сигнал» (иногда его используют для определения ШПС-тех-нологии как таковой, имея при этом в виду, что если попытаться принять такой сигнал, не зная кодовой последовательности, то он ничем не будет отличаться от шума). Однако благодаря низкой интенсивности DSSS-сигнал, в отличие от FHSS-сигнала, не может быть источником помех для прочих радиопередающих устройств.

В режиме FHSS весь диапазон 2,4 ГГц используется как одна широкая полоса (с 79 подканалами). В режиме DSSS этот же диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов, так что до трех таких каналов может использоваться независимо и одновременно на одной территории (дополнительные каналы определены в перехлест с основными тремя, чтобы иметь возможность отстроиться от помех, если они все же возникли). Номинальная скорость каждого канала 2 Мбит/с.

В режиме DSSS при одновременном использовании трех каналов можно добиться общей скорости передач в 6 Мбит/с. В режиме FHSS общая скорость передач статистически, при наличии нескольких одновременно работающих передатчиков, не превышает 4 Мбит/с (по другой оценке - до 10 Мбит/с, столь разные оценки даются из-за использования разных методов статистического анализа).

Метод доступа к общему каналу - коллизионный; но, в отличие от обыкновенного кабельного Ethernet, имеется фаза предварительного резервирования канала, так что коллизии между абонентами допускаются только при резервировании (в процессе «соревнования» за занятие канала), а собственно передача данных начинается уже без возможности коллизий. Такой метод называется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).

Из двух методов широкополосной передачи каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достигать значительно большей производительности (2 Мбит/с на один канал, 6 Мбит/с на весь диапазон 2,4 ГГц), а кроме того, обеспечивают большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех) и большую дальность связи. Оборудование DSSS несколько сложнее и дороже FHSS. Продукция для FHSS выпускается значительно большим количеством компаний, она проще и дешевле, однако и пропускная способность ее ниже. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что они, в отличие от DSSS, могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех - например, создаваемых DSSS-передатчиками; но это оборачивается тем, что сами они мешают обычным узкополосным устройствам.

Приведенное сравнение дает основания для следующих выводов:

• FHSS-технология в любом из диапазонов 915 МГц и 2,4 ГГц, а также DSSS-технология в диапазоне 915 МГц должны преимущественно применяться внутри зданий или на частной территории при отсутствии помех радиоустройствам, включая широкополосные, находящимся вне этих зданий и территорий;

• для наружного применения наиболее приспособлена DSSS-технология в диапазоне 2,4 ГГц (или более высокочастотном).

В 1999 году был принят стандарт IEEE 802.11b. Этот стандарт преодолевает скоростной барьер 10 Мбит/с и приоритетным становится сигнал, сформированный по DSSS алгоритму.

Информация, передаваемая по радиоканалу, легко доступна, поэтому проблема защиты данных становится особенно важной для коммерческих приложений. Считается, что первичная защита осуществляется за счет образующего кода, используемого при формировании широкополосной несущей. Поскольку для систем DSSS этот код единственный, а в системах FHSS алгоритм перебора частот задается идентификационным номером, то первичное кодирование не представляет сложности, а соответственно, несложно и преодолеть такую защиту. Однако системы FHSS считаются несколько более устойчивыми к несанкционированному доступу. Аппаратное скремблиро-вание - самый эффективный способ контроля за доступом к передаваемой информации, может быть реализовано путем создания отдельного модуля.

Для сравнения характеристик аппаратуры различных производителей удобно использовать классификацию компании Aironet, поскольку оборудование этой фирмы получило широкое распространение в России:

• сетевые адаптеры или карты (Client Card) обеспечивают соединение компьютеров по радиоканалу как между собой, так и с устройствами доступа к сети или сетевыми мостами. Устанавливаются в слот расширения (MCA, ISA, PCMCIA) или на параллельный порт компьютера;

• устройства доступа (Access Point) служат для того, чтобы подключать по радиоканалу к кабельной сети (Ethernet или Token Ring) компьютеры, оснащенные сетевыми радиокартами;

• беспроводные мосты (Bridge) предназначены для объединения территориально разнесенных компьютерных сетей; подключаются к сетевому кабелю. Отдельные компьютеры, оборудованные сетевыми радиоадаптерами, могут подключаться к ним по радиоканалу;

ретрансляторы (репетиры) применяются, если тре-

буется повысить дальность связи или преодолеть влияние препятствий;

специальное антенно-фидерное оборудование используется при необходимости увеличить энергетику радиолинии или обеспечить требуемую диаграмму направленности антенн.

В заключение следует отметить, что данная классификация может быть дополнена и расширена за счет других стандартов, существующих в настоящее время в "гражданских" и "военных" диапазонах. Однако она позволяет по-новому подойти к вопросам разработки и производства оборудования для создания беспроводных сетей на российских предприятиях радиопромышленности. Несмотря на то что пока основные производители ШПС-оборудова-ния, в частности оборудования Radio-Ethernet - западные фирмы, эта технология представляет вполне определенный интерес для российской промышленности. Уже сейчас в каждом комплекте оборудования фирм WaveLAN или ARLAN, продаваемом в России, доля компонентов, произведенных на российских предприятиях, составляет по стоимости в среднем около 30%. В дальнейшем эта доля будет еще больше. Дело в том, что специфическая патентованная часть этого оборудования заключается в нескольких чипах, которые будут только дешеветь с развитием рынка. Все же остальное - СВЧ-компоненты, блок питания, корпус, антенна, кабели - может производиться и комплектоваться без специальной лицензии, а по стоимости будет составлять все больший и больший процент от стоимости готового устройства.

МИРОНОВ Сергей Геннадьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры "Радиотехнических устройств и систем диагностики" Омского государственного технического университета.

в н костюков о СИМПОЗИУМЕ

"ПОТРЕБИТЕЛИ-ПРОИЗВОДИТЕЛИ КОМПРЕССОРОВ И КОМПРЕССОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ - 2000"_

В г. Санкт-Пербурге в период с 31 мая по 2 июня 2000 г. проходил шестой международный симпозиум "Потребители- производители компрессоров и компрессорного оборудования - 2000", организованного кафедрой компрессорной, вакуумной и холодильной техники Санкт-Петербургского государственного технического университета при поддержке администрации СПбГТУ, Ассоциации компрессор-щиков и пневматиков, Международной энергетической академии. Генеральным спонсором симпозиума выступил РАО "Газпром", спонсорами: АО "Кировский завод", АО "Ка-занькомпрессормаш", НПО "Искра" (Россия), НПАО "ВНИИ компрессормаш", АО "Грейс" (Украина), Демаг Делаваль Турбомашинери, ГХХ Борзиг Турбомашинен Гмбх (Германия), Мицубиси хэви индастриз (Япония), Зульцер (Швейцария), Хербигер Вентильверке Гмбх (Австрия). Председатель оргкомитета симпозиума - д.т.н., проф., заведующий кафедрой компрессорной, вакуумной и холодильной техники СПбГТУ Ю.Б. Галеркин в приветственном слове отметил, что на симпозиум представлены доклады 48 организаций из 26 городов России, Украины, Австрии, Германии, Швейцарии, Литвы, США, Японии. В работе симпозиума приняли участие более 180 специалистов. Ряд фирм

представил экспозиции выпускаемого оборудования. Доклады, представленные на симпозиум, посвящены всем аспектам расчета, производства, модернизации и эксплуатации центробежных и поршневых компрессоров, а также турбокомпрессоров. Двенадцать докладов были заслушаны на пленарном заседании. Двадцать шесть докладов на секциях "Опыт эксплуатации" и "Новое в компрессорной технике". Наш город был представлен специалистами НПЦ "Динамика" и ОАО "Сибнефть"-Омский НПЗ", которые выступили с докладами посвященными мониторингу и диагностике центробежных компрессоров и опыту применения клапанов фирмы ICI на поршневых компрессорах. Надо отметить постоянно растущий интерес отечественных специалистов и специалистов промышленно развитых зарубежных стран к участию в работе данного симпозиума, который регулярно проходит, начиная с 1994 г. Участники симпозиума посетили лаборатории кафедры - организатора, промышленные предприятия города, получили большое удовольствие от экскурсии по Неве на теплоходе с массой впечатлений и фотографий. Каждый из участников увез с собой труды симпозиума объемом более 200 страниц.