Беспроводной доступ: на рубеже частот 5 ГГц

Андрей Борзенко

Специалисты IDC прогнозируют бурный рост рынка беспроводных сетей WLAN (Wireless LAN) в самое ближайшее время. Уже в 2001 году его объем составит свыше 1 млрд. долл. Неудивительно поэтому, что сегодня беспроводной связью начали заниматься не только телекоммуникационные, но и компьютерные компании. Большое внимание беспроводным сетям было уделено и на форуме разработчиков IDF Fall 2000 (см. PC Week/RE, № 32/ 2000, с. 1 и № 33/2000, с. 15).

Современные технологии позволяют получить беспроводной доступ к глобальным WAN (Wide-Area Network), локальным LAN (Local Area Network) и персональным сетям PAN (Personal Area Network). В частности, доступ к глобальным сетям осуществляется с помощью сотовой телефонной и спутниковой связи. Для локальных и персональных сетей создаются устройства беспроводной связи на базе ряда стандартов и спецификаций, таких, например, как IEEE 802.11, IEEE 802.11b, HiperLAN, HiperLAN/2, Bluetooth и HomeRF. На самом деле подавляющее большинство методов обмена информацией, используемых в беспроводных сетях, построено на радиочастотных технологиях (методы размытого спектра) и технологиях, основанных на использовании инфракрасного излучения. Каждая из них, разумеется, имеет свои достоинства и недостатки.

В настоящее время беспроводные сети LAN и PAN находят широкое применение на таких вертикальных рынках, как здравоохранение, розничная торговля, финансы, производство, складирование продукции и т. д., т. е. там, где работникам приходится часто перемещаться с места на место и при этом им крайне необходимо передавать и получать информацию. Во многих сферах деятельности беспроводная связь не просто один из вариантов, а часто единственный способ организации сети. Кроме того, данная технология предоставляет канал в обычную проводную сеть, открывая доступ к имеющимся базам данных.

К основным преимуществам беспроводных сетей следует отнести легкость установки и управления, гибкость конфигураций, невысокую стоимость владения, масштабируемость и хорошую защиту информации.

Оборудование для создания беспроводных LAN обычно включает адаптеры для портативных и настольных компьютеров, точки доступа (которые выступают в качестве "шлюзов" беспроводной сети) и соответствующее программное обеспечение. В самом простом случае беспроводная сеть может состоять из нескольких ПК, снабженных беспроводными сетевыми картами и совместно использующих файлы, принтер или модем. Такая конфигурация называется равноправной, или одноранговой, сетью. Эта структура полезна, например, в случае краткосрочного сотрудничества между членами небольшой группы, работающими над одним и тем же проектом.

Сеть можно расширить и охватить более значительное пространство, используя сетевые точки доступа, которые посылают и принимают сигналы на клиентские ПК беспроводной сети и от них. Дальность действия сигналов при этом меняется (например, в зависимости от наличия стен и перекрытий). Как правило, она составляет около 100 м в помещении и до 300 м на открытом воздухе. По мере удаления клиентского ПК от точки доступа скорость соединения уменьшается.

Каждая точка доступа зоной своего покрытия создает так называемую микроячейку, или соту. Клиентские ПК беспроводной сети могут перемещаться по этим сотам, зоны покрытия которых обычно перекрываются. Это позволяет осуществить роуминг для абонентов сети.

Стоит еще раз подчеркнуть, что беспроводная сеть способна как функционировать самостоятельно, так и соединяться через точку доступа с проводной сетью.

Стандарты и спецификации

C начала 90-х годов специализированные беспроводные ЛВС работают в частотном диапазоне ISM (Industrial - Scientific - Medical) - от 900 МГц до 2,4 ГГц, - предназначенном для промышленности, науки и медицины. Группа по разработке спецификации на беспроводные ЛВС (Wireless LAN Network Standards Working Group) была создана ровно десять лет назад, в 1990 г. А вот ее первый продукт - стандарт IEEE 802.11 - увидел свет только в июне 1997 г. Этот документ содержал необходимую информацию для организации беспроводных ЛВС, передающих данные со скоростью 1-2 Мбит/с. В спецификации была выбрана полоса 83 МГц в диапазоне 2,4-2,4835 ГГц ISM, который не требует дополнительного лицензирования на использование практически во всех странах мира.

Из семи уровней модели OSI (Open System Interconnect) спецификация 802.11 регламентировала два уровня сети - физический (PHY) и управления доступом к среде передачи данных, т. е. нижний подуровень канального уровня (MAC, Media Access Control). На физическом уровне определялись методы модуляции и характеристики сигналов для передачи данных. В стандарт было заложено три различных метода передачи: два в радиочастотном и один в инфракрасном диапазоне волн. В последнем случае должны быть задействованы длины волн в диапазоне 850-950 нм.

Технологии беспроводного доступа

Базовыми методами для передачи сигналов в радиочастотном диапазоне стали технологии размытого спектра: прямой последовательности DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) и скачущей частоты FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), обеспечивающие скорости передачи данных 2 и 1 Мбит/с соответственно при мощности передающего устройства 100 мВт.

Технология размытого спектра известна еще со времен второй мировой войны. Как следует из названия, передаваемый сигнал "размазан" по некоторому частотному диапазону. Само по себе словосочетание "размытый спектр" означает, что для кодирования сигнала используется более широкий частотный диапазон, чем тот, что требовался бы при передаче только полезной информации.

Данная технология получила распространение благодаря своей высокой помехоустойчивости. Очевидно, что эта ее особенность актуальна и для современного бизнеса, так как компаниям приходится зачастую доверять радиоволнам важную конфиденциальную информацию.

При работе по методу FHSS весь частотный диапазон передачи разбивается на определенное количество каналов (например, в диапазоне 900 МГц - на поддиапазоны шириной 500 кГц, а в диапазоне 2,4 ГГц - 1 МГц). Передающая станция постоянно меняет частотный диапазон, в котором ведется передача сигнала. Получается, что одна часть информации передается на одной частоте, другая - на второй, третья - на следующей и т. д. Конкретная последовательность используемых частот называется последовательностью скачков и должна быть синхронизирована между передающей и принимающей станциями, иначе они не смогут общаться друг с другом. Не зная нужной последовательности и частоты переключения поддиапазонов, расшифровать сигнал практически невозможно. Стандарт определяет 79 каналов и 78 различных частот, изменяющихся скачкообразно.

Адаптер беспроводной сети

Технология прямой последовательности DSSS предусматривает модуляцию исходных данных с помощью широкополосного сигнала. Так как приемнику известна модель модулирующего сигнала, он может восстановить исходный сигнал. После каждого полезного бита добавляется какое-то число избыточных разрядов (называемых chip). Благодаря этому обеспечивается восстановление исходных данных без повторной передачи, если один или более разрядов оказываются потерянными или искаженными при передаче. Ясно, что при генерации и кодировании избыточных разрядов эффективная частота полученного сигнала возрастает, следовательно, для его передачи требуется более широкий диапазон, чем для передачи "чистой" информации, в результате чего спектр и "растягивается".

Отметим, что системы на базе DHSS и FHSS не могут взаимодействовать друг с другом ввиду различия применяемых методов передачи.

Передача данных в инфракрасном диапазоне длин волн характеризуется, во-первых, большими скоростями (до 155 Мбит/с), а во-вторых, высокой устойчивостью ко всевозможным помехам. Импульсная модуляция инфракрасных сигналов осуществляется в частотном диапазоне от 300 ГГц до 428 ТГц при мощности передатчика до 2 Вт. Недостатками, существенно ограничивающими применение данной технологии, являются малый радиус действия и очень жесткое требование прямой видимости между передающим и принимающим устройствами.

На MAC-уровне стандарта IEEE 802.11 описаны методы доступа к среде, формат кадров, адресация, а также множественный доступ к каналу связи. В отличие от хорошо известного по Ethernet (IEEE 802.3) протокола CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), в нем определен другой - CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - множественный доступ с контролем несущей и уклонением от столкновений. Излучаемая мощность сигналов была ограничена 1 Вт для США и 10 мВт/1 МГц для Европы.

Понятно, что при скоростях передачи порядка 1-2 Мбит/с беспроводные технологии намного уступают традиционным проводным сетям. Именно поэтому год спустя, в июле 1998 г., появилась новая версия стандарта IEEE 802.11b. На физическом уровне в нем определялся только один метод передачи - DSSS. Основным усовершенствованием данного стандарта стало повышение скорости передачи до 5,5 и даже до 11 Мбит/с. Последняя версия получила название IEEE 802.11b HR (High Rate). Большая часть оборудования, продвигаемого в настоящее время на рынке, базируется именно на этой спецификации, и ряд фирм уже встраивает модули беспроводной связи в свои компьютеры. Например, в ПК iBook с июля прошлого года интерфейс IEEE 802.11b используется под торговой маркой AirPort. Сегодня Apple предлагает беспроводные сетевые решения практически со всеми продаваемыми системами. Модули беспроводной связи на базе мини-PCI планируют использовать в своих портативных устройствах Latitude и ThinkPad серии i компании Dell и IBM.

Большую роль в продвижении нового стандарта сыграла организация под названием Альянс совместимости беспроводных сетей Ethernet (Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA), созданная в 1999 г. Ее деятельность была отмечена специальной наградой журнала PC Magazine. Среди членов WECA не только коммуникационные компании 3Com, Aironet, Intersil (в прошлом Harris Semiconductor), Lucent Technologies, Nokia, Symbol Technology, Alantro, Breezeway, Cabletron, Intermec, No Wires Needed, Sharewave, Wayport, Zoom, но и крупнейшие фирмы - производители компьютеров Apple, Compaq, Dell, IBM.

Новой версией стандарта для базовой полосы частот 5 ГГц является IEEE 802.11a, описывающий иной метод технологии размытого спектра - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), в котором импульсы поднесущей частоты имеют прямоугольную форму. Скорость передачи данных в этом случае может варьироваться от 6 до 54 Мбит/с. К основным преимуществами данного метода можно отнести смягчение узкополосной интерференции сигналов и высокую устойчивость к шумам. Заметим, что такая технология используется, в частности, в ADSL-системах, но никогда не применялась для беспроводной связи.

Поскольку выход окончательной версии стандарта IEEE 802.11 был неоправданно затянут, а рынок требовал немедленного реагирования, на нем появились технологии, предложенные различными институтами, альянсами и организациями. Но обилие взаимоисключающих стандартов замедляет развитие индустрии. Именно поэтому в настоящее время рабочая группа IEEE 802.11a сотрудничает со специалистами европейского института телекоммуникационных стандартов ETSI (European Telecommunications Standards Institute) в поисках совместимости со стандартом HiperLAN/2, который был создан в рамках проекта BRAN (Broadband Radio Access Network). По крайней мере одна общая точка у обоих перспективных стандартов есть: физический уровень OSI базируется на технологии OFDM.

Статья опубликована в PC Week/RE № (258)36 от 10/3/00, стр. 22
Перепечатывается с разрешения автора.