Беспроводные системы передачи данных

Реферат Беспроводные системы передачи данных.

Введение

В настоящее время широкое распространение в большинстве сфер общества получили системы беспроводной передачи данных.

Таким вниманием они обязаны:

· Низкой стоимостью.

· Мобильностью.

· Независимостью от кабельной инфраструктуры.

· Высокоскоростным доступом к сети Интернет.

· Простотой подключения и использования Развитие беспроводных систем доступа идет в трех основных направлениях:

1. Спутниковые системы.

2. Системы персональной сотовой связи.

3. Наземные СВЧ-системы Каждое из этих средств имеет свои преимущества и недостатки. Беспроводные сети эффективнее всего при передаче данных на расстояние нескольких сот метров.

1. Эволюция беспроводных сетей.

Еще совсем недавно, мобильные телефоны были действительно телефонами, а не смартфонами как сейчас. Эти «древние» аппараты могли поддерживать минимальный набор функций, например, осуществлять только звонки и отправлять текстовые сообщения. Хорошо, что те дни уже позади и по всему миру стали активно проявлять перспективные беспроводные высокоскоростные сети передачи данных нового поколения, и некоторые вещи начинают казаться запутанными. Отметим для начала, что приставка «G» означает «поколение» (от англ. generation).

1.1 1G.

История начинается с появления в 80-х годах прошлого столетия нескольких сетевых технологий: сочетания NMT и TACS в Европе и AMPS в США. Тройка NMT, TACS и AMPS считается первым поколением беспроводной сети 1G, потому, что именно эти технологии позволили мобильным телефонам, в том виде, в котором мы их сейчас видим, стать массовым продуктом. В те времена и в голову никому не приходила услуга передачи данных так как это были чисто аналоговые системы, придуманные и спроектированные исключительно для голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Так же скорость передачи данных была низкой и дорогостоящей.

1.2 2G.

В начале 1990;х годов наблюдается подъем первых цифровых сотовых сетей, которые имели более высокое качество звука, повышенную производительность, большую защищенность и др. GSM начал свое развитие в Европе.

Второе поколение беспроводной сети 2G уже имело поддержку передачи коротких текстовых сообщений (SMS), а также технологию передачи данных (CSD — технология передачи данных, разработанная для мобильных телефонов стандарта GSM), которая позволяла передавать данные в цифровом виде. Все это позволило увеличить скорость передачи данных до 14,4 кбит/с.

1.3 2.5G.

В 1997 году появился сервис GPRS. Его появление стало переломным моментом в истории беспроводной сотовой связи, потому что с его появлением существующие GSM-сети начали поддерживать непрерывную передачу данных. С использованием GPRS, вы можете осуществлять передачу данных только когда это необходимо. Скорость GPRS была больше скорости CSD и теоретически достигала 171,2 кбит/с, а операторы получили возможность взымать плату не за время на линии, а за трафик.

Скачок популярности GPRS за такое короткое время объясняется тем что, люди стали активно проверять свои почтовые ящики. Когда технология GPRS уже была на рынке, Международный союз электросвязи (ITU) опубликовал новый стандарт — IMT-2000 утверждающий спецификации 3G. Главным в этой истории является то, что 3G устройства должны обеспечивать скорость передачи данных до 2 Мбит/с для стационарных терминалов и 384 кбит/с для беспроводных сетей, что было не под силу GPRS. Таким образом, GPRS застрял между поколениями, 2G — которое он превосходил, и 3G — до которого не дотягивал.

1.4 3G, 3.5G, 3.75G.

В 2003 году в Северной Америке впервые был предоставлен стандарт EDGE. Этот стандарт позволял операторам GSM-сетей выжать дополнительные соки из 2.5G сетей, не вкладывая большие деньги в модернизацию оборудования. С помощью мобильного телефона, поддерживающего EDGE, абоненты могли получать скорость, в два раза превышающую GPRS, что вполне неплохо для того времени.

В 2004 году GSM-операторы Северной Америки поддержали EDGE. Это произошло из-за появления сильного соперника CDMA2000. Он обеспечивает скорость передачи данных чуть большую скорости GPRS. Большинство других GSM-операторов рассматривали в качестве следующего шага развития технологию UMTS, поэтому предпочли либо пропустить внедрение EDGE. Однако, как показала практика, высокая стоимость и объём работ по внедрению UMTS заставили некоторых европейских операторов пересмотреть свой взгляд на EDGE как на целесообразный.

Спустя некоторое время, беспроводные сети CDMA2000 получили обновление 1x EV-DO Rel.0. Обновление позволило увеличить входящую скорость до 2,4 Мбит/с и исходящую скорость до 153 кбит/с. Таким образом, мы получили 3.5G.

Переходное поколение 3.5G представлено стандартом HSDPA.

Для сотовых сетей сегодня существует несколько протоколов, увеличивающих скорость передачи данных. Однако фактически ни один из них не способен экономить ресурсы мобильной сети, что делает такой трафик дорогим и неэффективным. Задуманный ведущими производителями инфраструктурного оборудования мобильной связи протокол HSDPA призван повысить производительность сети именно за счет более эффективного использования радиоканала, в частности сокращением задержек при передаче пакетов. Технология HSDPA не несет в себе ничего нового, но изменяет представление пользователя о мобильных сетях передачи данных третьего поколения.

HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) — стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях — около 3 Мбит/сек.

1.5 4G.

Также, как и 3G ITU взяла под свой контроль 4G, привязав его к спецификации IMT-Advanced. Спецификация устанавливает скорость входящих данных в 1 Гбит/с для стационарных терминалов и 100 Мбит/с для мобильных аппаратов. Это действительно огромные скорости, которые могут обогнать даже прямое подключение к широкополосному каналу.

Ни один коммерческий стандарт не соответствует этим спецификациям, но так сложилось, что технологии WiMAX и LTE, считаются 4G технологиями, но это верно лишь отчасти, так как они оба используют новые, чрезвычайно эффективные схемы мультиплексирования, и в них обоих отсутствует канал для передачи голоса. Мы можем с уверенность утверждать, что 100% их пропускной способности используется для услуг передачи данных.

Как показала практика, WiMAX и LTE потерпели неудачу в скорости передачи данных. Теоретически значения скорости находятся на уровне 40 Мбит/с и 100 Мбит/с, а практически, реальные скорости коммерческих сетей не превышают 4 Мбит/с и 30 Мбит/с соответственно. Данный факт не удовлетворяет высоким требованиям IMT-Advanced. Лишь обновление стандартов до WiMAX Release 2 и LTE-Advanced смогли достичь этих скоростей.

1.6 5G.

Ещё далеко не во всех крупных городах развёрнуты сети четвёртого поколения LTE, а телекоммуникационные компании уже вовсю строят планы в отношении сервисов пятого поколения (5G). К примеру, японская NTT DoCoMo полагает, что запуск таких сетей станет возможен в 2020 году: по сравнению с LTE они обеспечат стократное увеличение скорости передачи данных и тысячекратный рост пропускной способности.

Исследователи из Технического университета Чалмерса (Швеция) рассказали, какие инфраструктурные изменения могут потребоваться при внедрении 5G-технологий.

Для начала немного статистики. В 2012 году количество сотовых абонентов — владельцев смартфонов составляло 1,2 млрд. К 2018;му их число, по прогнозам, вырастет до 4,5 млрд. Мобильный трафик в период между первыми кварталами 2012;го и 2013;го увеличился вдвое, а к концу 2018;го подскочит ещё в 12 раз.

Понятно, что рост числа мобильных устройств с веб-подключением приведёт к резкому повышению нагрузки на каналы передачи данных и породит потребность в увеличении скорости. Решением проблемы как раз и должны стать сети 5G.

Исследователи выделяют пять основных направлений в сценарии развития систем связи следующего поколения. Это многократное увеличение скорости по сравнению с 4G/LTE, возможность предоставления качественных услуг даже в самых густонаселённых районах, поддержание стабильной связи с большим количеством устройств с веб-подключением (речь идёт об «Интернете вещей»), высокое качество сервисов для конечных пользователей и минимальные задержки.

В начале года Еврокомиссия выделила € 50 млн на исследования, касающиеся мобильной связи пятого поколения. Гранты предоставляются научным организациям и учёным, занимающимся технологиями коммуникаций. К примеру, участники проекта METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society), в котором задействован Технический университет Чалмерса, получили € 16 млн.

В METIS уже определены основные требования, которым должны удовлетворять 5G-сети:

1. Рост скорости передачи данных в 10−100 раз в расчёте на абонента — до 1−10 Гбит/с.

2. Рост потребляемого трафика в 1 000 раз — до 500 Гб на пользователя в месяц.

3. Увеличение количества подключённых устройств в 10−100 раз.

4. Десятикратное увеличение времени автономной работы устройств с небольшим энергопотреблением, таких как сенсоры.

5. Сокращение времени реакции систем до 5 мс и менее.

6. Сохранение прежних стоимости эксплуатации и энергетических затрат.

Одним из предлагаемых способов решения обозначенных проблем называется установка небольших маломощных базовых станций в домах, на фонарях уличного освещения и даже на автомобилях и общественном транспорте. Это позволит сократить расстояние между передатчиком информации и конечным пользователем и, следовательно, повысит эффективность работы основных базовых станций и увеличит скорость передачи данных.

Кроме того, уплотнение инфраструктуры базовых станций уменьшит интенсивность излучения и улучшит энергетическую эффективность всех без исключения устройств за счёт снижения мощности сигнала.

По сути, говорят исследователи, сети пятого поколения создадут основу для интеллектуального сообщества, в котором люди и устройства смогут обмениваться данными в любом месте и в любое время.

2. Классификация беспроводных технологий.

Существуют различные способы классификации беспроводных технологий.

2.1 По дальности действия.

Рисунок 1 — классификация беспроводных технологий по дальности действия.

Персональные беспроводные сети.

Беспроводные персональные сети (WPAN)-сети, используемые для связи различных устройств. Радиус действия WPAN может достигать нескольких метров.

Локальные беспроводные сети (WLAN).

В такой сети передача данных осуществляется через радиоэфир. Наиболее распространенные представители такой сети — это Wi-Fi и WiMAX.

Глобальные беспроводные сети (WWAN).

WWAN отличается от WLAN тем, что в них используются технологии сотовой связи, такие как GSP и GPRS.

Сети масштаба города (WMAN).

Такие сети предоставляет широкополосный доступ к сети через радиоканал..

По топологии.

Сети «точка-точка».

Сеть из точки в точку — самый простой вид компьютерной сети, при котором два компьютера связываются через коммуникационное оборудование..

Сети «точка-многоточка».

Такие сети используются для объединения трех и более объектов..

2.2 По области применения.

2.2.1 Корпоративные сети.

Корпоративная сеть передачи данных — это система, обеспечивающая передачу информации между различными объектами, которые используются в системе корпорации. Они создаются компаниями для собственных нужд..

2.2.2 Операторские сети.

Операторскими сетями называются такие сети, которые создаются операторами связи для возмездного оказания услуг..

3. Наиболее распространенные беспроводные сети передачи данных.

3.1 Bluetooth.

Самым ярким примером беспроводных персональных сетей является Bluetooth. Он обеспечивает передачу данных между персональными устройствами, такими как ноутбуки, смартфоны, планшетные компьютеры и т. д.

Bluetooth — спецификация сетей WPAN. Являясь беспроводной персональной сетью, Bluetooth связывает в одно целое личные устройства (ноутбуки, мобильные телефоны, мышки, наушники, GPS адаптеры и т. д.). Работает в диапазоне частот 2.4 ГГц, расстояние в зависимости от класса сети может составлять от одного до ста метров.

Версии Bloetooth:

· Bluetooth 1.0, 1.1, 1.2, 2.0, 2.1. Эти спецификации являются устаревшими и не встраиваются в новые устройства. Интерес представляют другие, более современные варианты.

· Bluetooth 2.1 + EDR (Enhanced Data Rate). Скорость передачи данных до 2.1 МБит/c.

· Bluetooth 3.0 + HS (High Speed). Включает в себя две подсистемы — для высокой скорости (теоретический максимум 24 МБит/c) и для низкого энергопотребления (до 3 Мбит/с). Переключение происходит автоматически в зависимости от потребностей.

· Bluetooth 4.0. Добавлена спецификация Bluetooth low energy (с низким энергопотреблением). Предназначена для небольших сенсоров (например, в обуви, тренажерах), время работы от батарейки у таких может достигать нескольких лет. Пиковая скорость передачи до 1 Мбит/c.

Разные устройства могут поддерживать всевозможные расширения протокола, которые называются профилями. Пользователю наибольший интерес представляют следующие профили:

· A2DP (Advanced Audio Distribution Profile). Предназначен для передачи стереозвука (например в наушники). Есть версия для приемника и передатчика. Устройства с A2DP могут поддерживать всевозможные кодеки, например MP3, AAC и т. д.

· File Transfer Profile (FTP_profile). Передача файлов, просмотр списка директории.

· HID (Human Interface Device Profile). Поддержка устройств ввода — мышки, клавиатуры, джойстики. Требует меньше энергии.

3.1.1 Принцип действия.

Принцип действия Bluetooth основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне 2,4−2,4835 ГГц (ISM-диапазон). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS).

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 микросекунд 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 алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка», но и «точка-многоточка».

3.1.2 Преимущества.

Bluetooth не требует прямой видимости между устройствами для синхронизации. Это означает, что устройства не обязательно должны быть обращены друг к другу, и также можно осуществлять передачу, когда оба устройства находятся в отдельных комнатах. Тот факт, что эта технология не требует проводов и кабелей сделало ее столь популярной. Максимальная дальность, передачи через Bluetooth составляет 100 метров, но этот диапазон, не одинаков для всех соединений Bluetooth. Это зависит от характеристики устройства и его версии.

Одно из главных преимуществ Bluetooth является его простота в использовании. Любой может понять, как настроить соединение и синхронизацию двух устройств. Кроме того, технология абсолютно бесплатна для использования. В версии Bluetooth 2.0 появилась поддержка multi-cast, то есть одновременная отправка данных на несколько устройств. Шанс на вмешательство других беспроводных сетей в сети Bluetooth очень низка. Это из-за малой мощности беспроводных сигналов и скачкообразной перестройки частоты. Bluetooth работает в том же частотном диапазоне, что и Wi-Fi 2.4 Ггц. В некоторых, очень редких случаях соединения могут конфликтовать друг с другом.

3.1.3 Недостатки.

Главным недостатком Bluetooth является низкая степень защиты. Сейчас существует множество хакерских программ — шпионов, позволяющих влезть к Вам в устройство если в нем включен Bluetooth. Износ батареи в течение одной передачи через Bluetooth не значительна, но есть некоторые люди, которые оставляют Bluetooth включенным в своих устройствах. Это неизбежно, значительно снижает срок службы батареи.

3.2 Wi-Fi.

Wi-Fi — беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.11.

Рисунок 3 — логотип Wi-Fi.

Стандарты Wi-Fi:

1. IEEE 802.11b — описывает более быстрые скорости передачи и вводит больше технологических ограничений. Этот стандарт широко продвигался со стороны WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) и изначально назывался Wi-Fi. Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Ратифицирован в 1999 году. Используемая радиочастотная технология: DSSS. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps.

2. IEEE 802.11a — описывает значительно более высокие скорости передачи чем 11b. Используются частотные каналы в спектре 5GHz. Используемая радиочастотная технология: OFDM. Протокол Не совместим с 802.11b. Ратифицирован в 1999 году. Максимальные скорости передачи данных в канале: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps.

3. IEEE 802.11g — описывает скорости передачи данных эквивалентные 11а. Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Протокол совместим с 11b. Ратифицирован в 2003 году. Используемые радиочастотные технологии: DSSS и OFDM. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps на DSSS и 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps на OFDM.

4. IEEE 802.11n — самый передовой коммерческий Wi-Fi стандарт, на данный момент. Используются частотные каналы в спектрах 2.4GHz и 5GHz. Совместим с 11b/11a/11g. Хотя рекомендуется строить сети с ориентацией только на 11n, так как требуется конфигурирование специальных защитных режимов при необходимости обратной совместимости с устаревшими стандартами. Это ведет к большому приросту сигнальной информации и существенному снижению доступной полезной производительности радиоинтерфейса. Собственно, даже один клиент 11g или 11b потребует специальной настройки всей сети и мгновенной ее существенной деградации в части аггрегированной производительности. Сам стандарт 802.11n вышел 11 сентября 2009 года. Поддерживаются частотные каналы шириной 20MHz и 40MHz (2×20MHz). Используемая радиочастотная технология: OFDM.

3.2.1 Принцип работы Wi-Fi.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит минимум минимум одного клиента и одну точку доступа. Также в режиме точка-точка, когда не используется точка доступа, а клиенты напрямую соединяются сетевыми адаптерами, возможно подключение двух клиентов. На скоости 0,1 Мбит/с точка доступа передаёт свой идентификатор сети с помощью специальных сигнальных пакетов каждые 100 миллисекунд. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная идентификатор сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными идентификаторами сети приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

3.2.2 Преимущества.

Возможность развернуть сеть без прокладки кабеля, что уменьшает стоимость развёртывания и расширения сети. Беспроводными сетями обслуживаются места, где нельзя проложить кабель.

Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

Широкое распространение на рынке. Гарантия совместимости оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования данной марки.

Мобильность.

В Wi-Fi зоне в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с портативных устройств и компьютеров.

Излучение от устройств, использующих Wi-Fi, в момент передачи данных в 10 раз меньше излучения сотового телефона.

3.2.3 Недостатки.

В диапазоне 2,4 ГГц работает множество устройств, поддерживающих другие виды беспроводных сетей, которые ухудшают электромагнитную совместимость.

Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Существует шифрование WPA (2), но в режиме точка-точка стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA (2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

3.3 WiMAX.

Телекоммуникационная технология, основанная на стандарте IEEE 802.16, который еще называют Wireless MAN.

3.3.1 Принцип действия.

WiMAX сети состоят из нескольких частейбазовых и абонентских станций, а также оборудования, которое связывает базовые станции..

Базовые и абонентские станции связываются с использованием радиоволн в диапазоне 1,5−11 ГГц. Обмен данными может происходить со скоростью 70 Мбит/с.

Базовые станции связываются соединениями прямой видимости на частоте 10−66 ГГц, а скорость обмена данными достигает 120Мбит/с.

3.3.2 Преимущества.

Технологии WiMAX помогут организовать беспроводной доступ на всей территории населенных пунктов, способствуя решению проблемы «последней мили», а также сокращению финансовых затрат на новые подключения. Если сейчас подключение одного объекта может длиться до нескольких месяцев, то с решениями на базе WiMAX этот процесс сократится до нескольких часов или дней. Экономия на организации, прокладке и эксплуатации структурированных кабельных сетей (СКС), а также скорость установки и подключения оборудования позволят заметно сократить инвестиции в телеком-инфраструктуру. Технологии WiMAX предусматривают не только передачу голоса, но и любых данных, в том числе организацию видеоконференций, доступ в интернет, корпоративные сети и базы данных. Проблемой в использовании технологии WiMAX является достаточно низкая защищенность информации, передаваемой по радиоканалам. Сейчас этот вопрос решается производителями соответствующего оборудования. Тем не менее, технология WiMAX может широко использоваться при организации корпоративных сетей передачи данных.

3.3.3 Недостатки.

Погодные условия и другие беспроводные системы могут помешать нормальному функционированию радиодоступа, для работы могут быть использованы совершенно разные диапазоны частот, скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния между базовой станцией и клиентским оборудованием, аппаратура требовательна к электропитанию и потребляет довольно большую мощность..

3.4 GPRS.

3.4.1 Принцип работы.

При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через голосовые каналы, которые не используются в данный момент. Приоритет передачи (голосовой трафик или передача данных) выбирает оператор связи.

3.4.2 Преимущества и недостатки.

Преимуществами GPRS являются возможность подключения к интернету, находясь в любой точке планеты, где есть сотовая связь, высокая скорость передачи данных, позволяющая быстро организовывать соединения с Сетью Интернет и работать с комфортом, компактность и мобильность.

Недостатками GPRS являются чересчур высокая стоимость одного Мб информации и самая низкая скорость доступа.

Заключение.

беспроводный сеть связь.

В настоящее время беспроводные системы передачи данных являются неотъемлемой частью жизни каждого человека. Беспроводные сети совершенствуются с каждым годом все быстрее и быстрее, технические характеристики систем улучшаются в разы.

Улучшение беспроводных систем передачи данных может спровоцировать развитие таких технологий, как облачные накопители. Если скорость обмена данными будет очень высокая, может исчезнуть необходимость в жестких накопителях.