Беспроводные
радиосети |
||||||
|
||||||
|
||||||
Введение |
||||||
Среди множества бурно развивающихся технологий беспроводной связи несомненный интерес для разработчиков систем промышленной автоматики представляет технология сетей передачи данных, основанная на использовании шумоподобных сигналов (ШПС). В последние несколько лет системы ШПС, или, как их принято называть на Западе, Spread Spectrum Technology (SST), стремительно завоевывают популярность как одно из средств для построения компьютерных сетей. Высокая популярность объясняется несколькими обстоятельствами, главные из которых следующие: |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Для условий России, с ее масштабами (в том числе промышленных объектов) и слабой развитостью средств телекоммуникаций, системы беспроводной связи должны и, несомненно, будут представлять особый интерес. |
||||||
Что такое ШПС? |
||||||
Первоначально системы ШПС, или Spread Spectrum (распределенный спектр), разрабатывались как в США, так и в России преимущественно для применения в военных целях обеспечения повышенной защищенности от глушения и помех, а также достижения высокого уровня секретности при передаче сообщений. Принцип работы устройств ШПС состоит в "размазывании" радиосигнала в широкой полосе частот с использованием некоторого алгоритма распределения. Размазывание осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства, имеющие различные PN, фактически не "слышат" друг друга. Поскольку мощность сигнала распределяется по широкой полосе, он оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале. Это обстоятельство и дало название методу - шумоподобные сигналы. |
||||||
В рассматриваемых продуктах используются два наиболее популярных способа формирования ШПС: метод со скачками по частоте (frequency hopping, FH SST) и метод прямой последовательности (direct sequence, DS SST). |
||||||
В методе со скачками по частоте приёмник и передатчик каждые несколько миллисекунд синхронно перестраиваются на различные несущие частоты в соответствии с алгоритмом, задаваемым псевдослучайной последовательностью. Лишь приемник, использующий ту же самую последовательность, может принять сообщение. При этом предполагается, что другие системы, работающие в том же частотном диапазоне, используют иную последовательность и поэтому практически не мешают друг другу. Для тех случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений, по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте. |
||||||
В методе с прямой последовательностью в передаваемый в радиоканале сигнал вносится значительная избыточность путем передачи каждого бита информации одновременно в нескольких (порядка 10) частотных каналах. Обратное сжатие в приёмнике осуществляется при помощи коррелятора, использующего ту же самую кодовую последовательность. После коррелятора сигнал может быть подвергнут дополнительной узкополосной фильтрации, улучшающей отстройку от мешающих передатчиков. С повышением избыточности кодирования увеличивается соотношение сигнал-шум. |
||||||
Сравнивая эти два метода, можно видеть, что вариант со скачками по частоте в общем случае обеспечивает лучшую избирательность по соседнему каналу. Однако существующие правила требуют использования большого числа каналов псевдослучайным образом для обеспечения равномерной загрузки частотного диапазона. Селективное использование избранных каналов в методе FH запрещено. Пользователи систем DS, напротив, имеют определенную свободу в выборе каналов, что может улучшить надежность при работе в сильно загруженных диапазонах. DS-сигнал имеет меньшую мощность на заданной частоте, чем более узкополосный FH-сигнал. Потенциально более низкое соотношение сигнал-шум в методе DS компенсируется высоким усилением в канале обработки сигнала. Системы с прямой последовательностью в состоянии принимать и осуществлять корреляционную обработку сигнала с мощностью ниже среднего уровня шумов в канале. |
||||||
Таким образом, оба метода имеют свои достоинства и недостатки и выбор конкретного типа изделия на основании лишь используемого метода кодирования вряд ли должен быть определяющим. Из сопровождающей документации на оборудование конкретных фирм обычно следует, что именно их метод является наилучшим. |
||||||
Такое разнообразие возможных реализации приводит к тому, что функционально подобные изделия от различных производителей, как правило, не совместимы друг с другом. Исключение составляют, по-видимому, изделия AirLan компании Solectek, которые совместимы с продуктами DEC и AT&T GIS. Ситуация с совместимостью должна улучшится с принятием стандарта IEEE 802.11 на физический уровень сети передачи данных. Разрабатываемый стандарт для частотного диапазона 2,4 ГГц предполагает максимальную скорость передачи 2 Мбит/с и минимальную - 1 Мбит/с в 22 выделенных каналах, каждый из которых может поддерживать независимую логическую сеть. Стандарт предусматривает возможность реконфигурации, так что до 22-х сетей могут работать одновременно в одном и том же физическом пространстве, не мешая друг другу, или, наоборот, сеть может быть сконфигурирована на использование всех 22-х каналов для получения максимальной защищенности от помех и подслушивания. Комитет 802.11 планирует расширить свою деятельность и на использование инфракрасного диапазона, а также радиодиапазона 902 МГц, где, по-видимому, будет доминировать метод формирования ШПС с прямой последовательностью. Для пользователей появление стандарта будет означать совместимость изделий от различных производителей, а значит, более жесткую конкуренцию между ними и, соответственно, быстрое снижение цен при одновременном улучшении функциональных характеристик. |
||||||
Диапазоны, частоты, разрешения |
||||||
Для работы беспроводных сетевых устройств с ШПС используются, преимущественно, два частотных диапазона: 902-928 МГц (длина волны 33 см, L-диапазон) и 2400 - 2483,5 МГц (длина волны 12 см, S-диапазон). В различных странах границы диапазонов могут несколько отличаться. В РФ оба диапазона попадают в участки, отведённые для работы промышленных, научных и медицинских высокочастотных установок. Уровень помех от подобных установок регламентируется ГОСТ 23450-79, который, однако, не распространяется на радиоэлектронные средства, предназначенные для передачи информации. Промышленные частоты 915 МГц 2% и 2450 2% приводятся в данном ГОСТе лишь для справки, их использование регламентируется другими, в том числе международными, нормативными актами. В соответствии с законодательством, принятом в большинстве стран, выходная мощность подобных устройств ограничена 1 ваттом в диапазоне 902 МГц при использовании антенны с коэффициентом усиления не выше 6 дБ и 100 милливаттами в диапазоне 2,4 ГГц. Эти значения примерно соответствуют или существенно ниже оговоренных в стандарте уровней паразитных излучений от промышленных установок. Диапазон 902 МГц на вторичной основе наиболее широко применяется в бесшнуровых радиотелефонах, имеющих выходную мощность, близкую к указанной, а также во многих промышленных ВЧ-системах. Диапазон 2,45 ГГц является, по-видимому, самым популярным на этой планете. Все, кто использует микроволновые печи, имеет в своем распоряжении весьма мощный генератор (500 Вт и выше), способный создавать помехи в диапазоне 2,45 ГГц. |
||||||
Несмотря на это, а также на то, что в большинстве стран мира использование подобные устройств не требует разрешений, в России применение их вне помещений предприятия требует соответствующего согласования. Поэтому, прежде чем приобретать такие устройства, рекомендуется проконсультироваться с местными органами Госсвязьнадзора, где вас, скорее всего, направят в Госкомитет по радиочастотам (ГКРЧ). Проще всего воспользоваться консультационными услугами импортеров данного класса оборудования, которые обычно имеют соответствующие разрешения ГКРЧ и необходимые для импорта сертификаты соответствия Минсвязи РФ на конкретные изделия. |
||||||
Классы и типы оборудования |
||||||
Сетевые устройства с ШПС подразделяются на два класса: радиомодемы, заменяющие обычный четырехпроводный модем, и собственно устройства для построения беспроводных сетей, такие как радиобриджи, адаптеры и устройства беспроводного доступа к проводной сети. |
||||||
Простейшими представителями радиомодемов являются два изделия из семейства Prox-Link производства компании Proxim, Inc. Устройства PL и PL2 служат для замены обычных четырехпроводных соединении через стык RS-232. Модем может работать в прозрачном режиме, когда данные, поступающие через последовательный порт, передаются или принимаются по радиоканалу по мере их поступления без изменений, и в пакетном режиме, когда подключенный к модему компьютер может управлять его режимом работы с помощью набора команд пакетной связи. Скорость обмена через порт RS-232 - до 19-2 Кбит/с. Скорость передачи данных в радиоканале составляет 121 Кбит/с для PL и 242 Кбит/с для PL2. Более высокая скорость обмена в радиоканале позволяет нескольким устройствам работать одновременно, используя протокол доступа к среде передачи данных CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance - множественный доступ с обнаружением несущей и избежанием столкновений). Устройства используют диапазон 902 МГц, выходная мощность 400 мВт. При указанной мощности, данные модемы обеспечивают связь на расстоянии до 300 м при использовании четвертьволновых штыревых антенн (относительно дальности связи см. ниже). Габариты прибора. 10х17х2 см. |
||||||
Наиболее известным является семейство радиомодемов Airlink фирмы Cylink, Inc. Это уже серьезные устройства, позволяющие осуществлять цифровую передачу данных на значительные расстояния на скоростях до 19,2 Кбит/с через асинхронный стык RS-232 и вплоть до 512 Кбит/с через синхронный порт V.35 (V.11). |
||||||
Ниже приводятся спецификации на радиомодемы S-диапазона. Аналогичные и близкие по параметрам устройства выпускаются компанией Cylink и для L-диапазона (табл. 1). |
||||||
Для обеспечения связи при отсутствии прямой видимости и использовании радиомодема в качестве ретранслятора или при использовании нескольких модемов в составе синхронной сети в нем предусмотрена возможность установки режимов ведущий/ведомый и внешний вход синхронизации. |
||||||
Говоря об изделиях компании Cylink, следует также упомянуть о сравнительно новом продукте, Airlink E1. Это, фактически, дуплексная радиорелейная линия, работающая в "промышленном" частотном диапазоне 5,725 - 5,850 ГГц, но также использующая технологию ШПС. Устройство имеет привычное для систем телефонии сопряжение G.703 и выносной высокочастотный блок для наружной установки. Выходная мощность 100 мВт (программируемая), системное усиление 100 дБ, скорость передачи данных 2048 кбит/с. Преимущество данного оборудования по сравнению со стандартными РРЛ малой емкости - в несколько раз более низкая стоимость. |
||||||
|
||||||
|
||||||
Сегодня на рынке предлагается огромное количество устройств для построения беспроводных сетей с использованием технологии ШПС, работающих в указанных частотных диапазонах. Среди производителей такие компании, как DEC, AT&T GIS, Cabletron, Solectek, Proxim, Tetherless Access, Metricom, Aironet, Xircom и др. Предлагается три основных типа изделий: |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Дальность: |
||||||
Типичная зона перекрытия на микроячейку: |
||||||
3 4500 кв. метров |
||||||
Радиус действия с ненаправленной антенной: |
||||||
внутри помещений - до 150 м |
||||||
вне помещений - до 300 м |
||||||
|
||||||
Выходная мощность: |
||||||
|
||||||
Сетевая поддержка: |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Конфигурирование и управление сетью: |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Физические характеристики: |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Внешний вид радиобриджа показан на рис. 1. |
||||||
|
||||||
|
||||||
Компания Aironet выпускает достаточно полную гамму устройств для построения радиосетей. Помимо Arlan-640 (2400 или 902 МГц), в нее входят: |
||||||
|
||||||
Параметры устройств, выпускаемые той же компанией для диапазона 902 МГц, примерно аналогичны, за исключением большей выходной мощности (1 Вт) и несколько меньшей пропускной способности. |
||||||
Наиболее популярными в России устройствами являются, видимо, радиоадаптеры WaveLAN и бриджи WavePoint компании AT&T GIS. Их параметры и функциональные возможности близки к описанным выше. |
||||||
При приобретении подобных устройств следует иметь в виду, что для получения разрешения на их эксплуатацию необходимо наличие сертификата соответствия, выдаваемого Минсвязи РФ. По сведениям автора, такие сертификаты имеются для большинства изделий компаний Cylink. Aironet и AT&T GIS. |
||||||
Возможные сетевые конфигурации |
||||||
Радиоадаптеры и бриджи обеспечивают высокую гибкость при построении сети, допускают создание сетей с весьма сложной топологией. Возможные конфигурации показаны на рисунках 2 и 3. |
||||||
|
||||||
|
||||||
В простейшем варианте бридж используется для соединения двух сегментов локальных сетей. Это могут быть здания, удалённые на расстоянии 30 км при использовании направленных антенн с высоким коэффициентом усиления. Такой вариант показан на следующем рисунке. |
||||||
Важной особенностью является возможность использования бриджа одновременно как ретранслятора, точки доступа рабочих станции и моста, соединяющего фрагменты локальных сетей, как показано на рис. 3. Используя данную технологию, можно достаточно быстро развернуть сеть, покрывающую значительную площадь. |
||||||
|
||||||
|
||||||
Встроенные функции радиобриджей, такие как ретрансляция, фильтрация пакетов и дистанционное управление всеми параметрами сети, включая программную перестройку частот из единого центра, позволяют создавать микросотовую структуру, покрывающую значительные площади (большие предприятия районы и крупные города). Так, на несколько иной технике, компанией Metricom развернута сотовая сеть Ricochet, покрывающая почти всю Кремниевую Долину в Калифорнии. |
||||||
Недостатки данного подхода известны и, в основном, связаны с ограничениями, присущими технологии построения сетей с использованием бриджей: |
||||||
|
||||||
|
||||||
|
||||||
Есть и специфические проблемы, связанные с использованием радиосигналов, - это зашита от помех и подслушивания. По этому поводу следует напомнить, что сама технология ШПС разрабатывалась именно для обеспечения высокой помехозащищенности и секретности. Среди средств, обеспечивающих защиту от несанкционированного доступа, следующие: использование технологии шумоподобного сигнала с 24-разрядным идентификатором шумового кода для каждого устройства, опциональное использование микросхем засекречивания по стандарту DES, программные средства защиты доступа к системным ресурсам, такие как пароли и списки ограничения доступа к узлам сети. В целом, например, по утверждению компании Моторола, беспроводные цифровые сети являются более защищенными от несанкционированного доступа, чем обычные кабельные сети Ethernet. |
||||||
Несмотря на более низкие значения пропускной способности для радиоадаптеров и бриджей, составляющие 2 Мбит/с для диапазона 2,4 ГГц, интегральное быстродействие радиосети оказывается не намного ниже, чем для за груженной 10 Мбит/с кабельной сети Ethernet. Это связано с быстрым ростом времени задержки в сети, использующей протокол CSMA/CD при увеличении загрузки выше 10-15% от номинальной. Радиосеть, благодаря использованию модифицированного протокола CSMA/CA, ведет себя более детерминированно, что является важным обстоятельством для сетей, применяемых в системах управления промышленными объектами. |
||||||
Дальность |
||||||
Оценка максимальной дальности при использовании данных устройств внутри помещений весьма сложна. Производители обычно приводят типичные расстояния от 50 до 150 метров или 2-3 этажа. Несколько лучшие условия распространения в помещениях и проникновения через стены и перекрытия обеспечивает диапазон 902 МГц. На открытом пространстве при наличии прямой видимости максимальное перекрываемое расстояние определяется выходной мощностью, чувствительностью приемного устройства, усилением используемых антенн, частотой и потерями в свободном пространстве, которые обратно пропорциональны квадрату расстояния. Потери из-за атмосферных явлений на этих частотах пренебрежимо малы. В общем случае мощность сигнала на входе приемного устройства равна: |
||||||
|
||||||
Потери в свободном пространстве оцениваются по вытекающей из этого соотношения формуле: |
||||||
92,4 дБ + 20 log (расстояние в км) + 20 log (частота в ГГц). |
||||||
Основным параметром, определяющим дальность, является так называемое системное усиление, равное разности между мощностью передатчика (обычно выражаемой в децибелах относительно уровня 1 мВт) и чувствительностью приемника при заданном коэффициенте ошибок. К сожалению, кроме компании Cylink, производители не приводят в своих спецификациях параметров чувствительности или системного усиления. Поэтому можно лишь приблизительно оценить максимальную дальность. Для этого можно задаться в качестве пессимистичной нижней оценки значением чувствительности, приведенной для адаптеров Solectek в их информационных материалах (не спецификациях) - 70 дБм при коэффициенте ошибок 10 . При мощности передатчика 100 мВт (20 дБм) системное усиление должно составлять не менее 20 - (-70) = 90 дБ. На частоте 2,4 ГГц на расстоянии 10 км потери в свободном пространстве составят 120 дБ. Это означает, что для обеспечения устойчивой связи на такое расстояние сумма коэффициентов усилений используемых антенн должна быть не менее 120 - 90 = 30 дБ. По-видимому, реальные величины, если отталкиваться от значений дальности, например, для Arlan 640, составляющей 9 км при использовании 13 дБ антенн, на 5 - 10 дБ выше указанных. |
||||||
Для обеспечения покрытия значительной площади можно использовать ретрансляторы. Для этого можно взять два бриджа, подключенных к одному сегменту Ethernet, каждый из которых оборудован антенной, направленной в требуемую сторону (см. рис. 4). При этом реализация так называемой функции "блуждания" (roaming) позволяет перемещаться из зоны действия одного ретранслятора в другую без прерывания связи. |
||||||
|
||||||
|
||||||
В качестве ретранслятора может использоваться и один бридж. В этом случае для получения требуемой диаграммы направленности возможно параллельное соединение антенн через устройство согласования импедансов (см. рис. 5). |
||||||
|
||||||
|
||||||
Известны примеры организации связи на расстояние до 50 км на равнинной местности между буровыми вышками высотой порядка 40 метров с использованием аппаратуры Cylink, а также в производственных цехах, насыщенных силовым и сварочным оборудованием. Связь внутри помещений на небольших расстояниях возможна и без прямой видимости за счет отражений или волноводного распространения. |
||||||
Для диапазона 902 МГц предлагаются антенны типа волновой канал с усилением от 6 до 12 дБ. Для более высокочастотного диапазона 2,4 ГГц возможно достижение более высоких значений коэффициента усиления при небольших габаритах. Антенны с круговой диаграммой направленности имеют усиление 0 - 8 дБ, весьма малогабаритные антенны типа волновой канал обеспечивают усиление до 13 дБ. Для достижения предельных дальностей на этом диапазоне можно использовать достаточно компактные, простые в установке параболические антенны (например,. Cylink) с усилением 24 дБ, габаритными размерам: 610 х 915 х 85 мм и весом 2,5 кг. |
||||||
Для использования внутри помещений устройства комплектуются малогабаритными комнатными антеннами. |
||||||
Достаточно серьезной проблемой при применении радиосетевых средств является выбор места для их установки. Это связано с высокими потерями в соединительном коаксиальном кабеле между радиоадаптером и антенной, составляющими от 0,15 до 0,8 дБ на метр на частоте 2,4 ГГц. Потери в соединительном кабеле вычитаются из значения системного усиления, и поэтому желательно соединение с антенной как можно более коротким кабелем. |
||||||
Заключение |
||||||
При оценке стоимости развертывания сети с использованием радиосредств и сравнении их с проводными и оптоволоконными сетями следует принимать во внимание всю совокупность факторов, таких как стоимость кабеля и его прокладки или аренды выделенных каналов связи. Для грубой оценки целесообразности создания беспроводной сети можно считать, что радиоадаптер стоит порядка , радиобридж где-то около 4 тысяч долларов, направленная антенна от 150 до 400 долларов. Для получения конкретных цен и условий поставки следует обращаться к поставщикам. Несмотря на достаточно высокие цены на оборудование, интегральные преимущества, получаемые за счет высокой гибкости, масштабируемости, простоты и быстроты развертывания, отсутствия необходимости прокладки кабеля (что может составлять до 7 тыс. долларов на километр в условиях города), могут оказаться весьма значительными. |
||||||
Беспроводные сети имеют большое будущее. По опросу американской компании Yankee Group до 49 процентов из опрошенных крупнейших компаний США планируют обзавестись беспроводными сетями в ближайшем будущем [11]. Этому способствуют как успехи в области технологии, так и идущий во всем мире процесс дерегулирования законодательства в области связи, в частности, использования нелицензируемых участков радиоспектра. В США такое дерегулирование, фактически, породило бум в области беспроводных сетей и способствовало появлению множества конкурирующих производителей. Для условий России, где практически отсутствуют цифровые каналы связи, использование данной технологии может оказаться весьма привлекательным. Конкретные действия со стороны Минсвязи РФ по упрощению процедуры оформления разрешений могли бы дать толчок не только к быстрому развитию цифровых сетей передачи данных в РФ, но и способствовали появлению отечественных производителей этого перспективного оборудования. |
Использование самого современного оборудования и
проведенная модернизация сети обеспечила значительное увеличение скорости
передачи данных до 11 Мбит/с. Направление, в соответствии с которым развивается
опорная сеть, позволяет уже сегодня эффективно строить и объединять
корпоративные информационные системы.
Устанавливаемое специалистами компании "Нэтком" абонентское оборудование, имеет RJ-45 порт и
легко может быть сопряжено с локальной сетью офиса.
Мобильность и гибкость, свойственные радио-технологиям,
позволяют создавать высокоскоростные каналы связи в рекордно короткие сроки 1 -
3 дня. Комплект оборудования легко демонтируется и устанавливается в новом
месте, что позволяет сохранить инвестиции в качественную связь при изменении
места расположения офиса.
Объединение по радиоканалу двух точек.
В случае отсутствия прямой видимости между точками
возникает необходимость установки промежуточного ретранслятора, находящегося в
прямой видимости с обеими точками.
схема подключения
"точка-точка" через опорную сеть
Каналы точка - много точек.
Радиосистемы, использующие расширение спектра методом
прямой последовательности (так называемые RadioEthernet)
на сегодняшний день уже достаточно хорошо опробованы для связи локальных сетей,
удаленных друг от друга на расстояния в десятки километров. Кроме того, эти
системы позволяют строить сети типа точка - многоточка,
которые описываются и характеризуются как сети микросотовой связи, в которых
абоненты имеют фиксированное положение.
схема подключения
"точка - много точек"
Соединение может осуществляться по следующим вариантам:
В наш бурный век развития Internet
сетевые технологии позволяют подключить к мировому информационному сообществу
компьютеры, которые могут находиться в самых непредсказуемых местах. Одну из
таких возможностей предоставляют сети, использующие в качестве «транспорта»
радиоволны, или, одним словом, радиосети. |
|