Беспроводные сети четвертого поколения

Беспроводными сетями четвертого поколения, как правило, считают технологии 4G, к которым относят также технологии беспроводной передачи интернет-данных Wi-Fi, WiMAX.

Технологии 4 G. Сети поколения 4G (от англ, fourth generation — четвертое поколение), основанные на IP-протоколе (IPv6 — IP версии 6), стали внедряться во многих странах с 2010 г. Главное отличие сетей 4G от 3G заключается в том, что технология первых основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе передачу как голосового трафика, так и пакетов данных. Из основных преимуществ систем 4G можно выделить высокие скорости передачи данных (превышающие 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с — стационарным абонентам), сравнимые с наземными сетями; возможность передачи высококачественных звука и видео; объединение существующих стандартов связи (2G, 3G, Wi-Fi, WiMAX идр.) в единый совместимый стандарт.

Основная потребность в мобильных системах 4G возникла в результате необходимости расширения технологических возможностей и решения сервисных проблем мобильных систем 3G, которые не способны удовлетворить потребности в мультимедийном обслуживании. На сегодня проект мобильных технологий 4G — концептуальная структура универсальной глобальной высокопродуктивной сети радиодоступа, имеющей все возможности интеграции с проводной пакетной сетью. Проекты мобильных систем 4G также позволяют на своей технологической базе интегрировать все прибыльные секторы телекоммуникационного рынка: голосовую связь, мобильный доступ в Интернет, конвергированные решения с другими типами сетей, прежде всего с беспроводными сетями абонентского доступа (WLAN). С точки зрения прикладных режимов главным отличием сетей 4G становится высокий уровень персонализации услуг и мобильных терминалов. Профили услуг гибко настраиваются на характеристики мультимедийных режимов на двух уровнях: операторском и пользовательском. Разнообразие сетевых режимов и условий обслуживания будет полностью изолировано от пользователей путем реализации концепции виртуальной домашней среды VHE (virtual home environment). В системах 4G значительно возрастет роль программных средств в повышении эффективности и универсализации мобильной связи. Новые алгоритмы модуляции/демодуляции будут разработаны для высокоскоростной передачи сигналов (технология OFDM), селективной компенсации эффектов замираний сигнала (rake-приемники, скачкообразное переключение частоты), помехоустойчивого кодирования и т. п.

Большие надежды разработчики связывают с методами программируемых радиотехнологий (software radio), дальнейшим развитием цифровых сигнальных процессоров (ДСП; digital signal processor — DSP), параметрически управляемых систем. С целью повышения спектральной эффективности и пропускной способности радиоканалов в системах 4G применяют интеллектуальные антенны, в частности адаптивные антенные решетки AAA (adaptive array antennas) и метод множественных антенн (multiple input, multiple output — MIMO). Такие антенны должны в системах 4G дать значительный выигрыш в уменьшении мощности передаваемых сигналов.

Системы 4 С будут предоставлять мультимедийные услуги в широком диапазоне параметров: 2 Мбит/с для движущихся объектов, 10—20 Мбит/с для сотовых сетей, 20—40 Мбит/с для беспроводных локальных сетей WLAN, свыше 100 Мбит/с для специальных классов радиосистем (теоретически скорость может превышать 1 Гбит/с), работающих в диапазоне 40—60 ГГц.

Сети связи 4С на основе стандарта LTE способны работать практически по всей ширине спектра частот от 700 МГц до 2,7 ГГц. LTE обеспечивает теоретическую пиковую скорость передачи данных до 326,4 Мбит/с от БПС к пользователю и до 172,8 Мбит/с в обратном направлении.

Технология Wi-Fi (беспроводной Интернет). Технология Wi-Fi (сокращение от англ, wireless f idelity, что переводится как «высокая точность беспроводной передачи данных») — современная беспроводная технология соединения компьютеров в сеть или подключения их к Интернету (скоростные варианты этого стандарта). Wi-Fi разработан консорциумом Wi-Fi Alliance. Стандарт Wi-Fi позволяет предоставить высокоскоростной доступ ко всем ресурсам сети Интернет (электронная почта, интернет-серфинг, ICQ и т. д.) с ноутбука, смартфона или айпада в зоне покрытия сети Wi-Fi. Технология обеспечивает одновременную работу в сети нескольких десятков активных пользователей, скорость передачи информации для конечного абонента может достигать 54 Мбит/с. Такая беспроводная сеть позволяет передавать и получать информацию через Интернет при помощи радиосигнала. По сути, этот сигнал почти ничем не отличается от радиосигнала, с которым работает сотовый телефон. Беспроводную сеть Wi-Fi можно подключить к глобальной информационной сети, тем самым обеспечить беспроводной Интернет в любой точке помещения.

Сети Wi-Fi обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с кабельными сетями:

• • масштабируемость (легко изменять размер и топологию сети);
• • отсутствие строительно-монтажных работ при построении сети.

Существуют несколько стандартов, в которых работают сети Wi-Fi. Самые популярные из них — IEEE 802.11 а, b и g. Они работают на частотах 2,4 или 5,5 ГГц и обеспечивают скорость соединения 11 и 54 Мбит/с. Прямая и обратная совместимость стандартов позволяет устройствам разных стандартов успешно работать друг с другом. Wi-Fi может использоваться для доступа в Интернет на расстоянии в несколько километров. Как правило, одна точка доступа может обеспечить радиус действия до 100—200 м. Помимо домашних, кабинетных и офисных сетей, Wi-Fi получил широкое распространение в сфере организации публичного доступа в Интернет. Хот-спот (от англ, hot spot — горячее пятно: точка беспроводного доступа в Интернет в публичном заведении) в университете, конференц-зале, ресторане, кафе, кинотеатре, гостинице, аэропорту, вокзале, школе, бизнес-центре дает любому абоненту возможность подключиться к сети при помощи ноутбука, карманного компьютера или смартфона (smartphone: по сути гибрид мобильного телефона и карманного компьютера), оснащенного М-/*7-адаптером (большинство ноутбуков и айпадов оснащены встроенным беспроводным адаптером; для остальных можно использовать PCMCIA-адаптер). Имея такое устройство и точку доступа к Интернету, можно навсегда забыть о многих неудобствах. Возможность проверить почту, заказать номер в гостинице через Интернет или воспользоваться интернет-телефонией всегда будет в точках доступа: в аэропорту, гостинице или кафе.

Обеспечение безопасности информации в сетях Wi-Fi. С точки зрения безопасности уязвима не сама технология Wi-Fi, а операционная система Windows. Беспроводная сеть Wi-Fi была спроектирована для обмена файлами между компьютерами. А защита файлов осуществляется поверх сети. К сожалению, с приходом новой технологии появляются новые угрозы безопасности и конфиденциальности информации. Wi-Fi задействует протоколы защиты WEP и WPA. Теоретически хакер может войти в зону Wi-Fi и попытаться прослушивать то, что у вас идет по беспроводной сети, как и любой радиообмен. Но в отличие от радио данные по Wi-Fi поставляются закрытым способом, чему способствует VVTP-шифрование {WiredEquivalent Privacy — защита, эквивалентная секретности) — характеристика стандарта 802.11, которая используется для обеспечения безопасности передачи данных. Она идентична протоколу безопасности в кабельных локальных сетях без применения дополнительных методов шифрования. Более современный протокол защиты WPA проверяет пользователей сети через сервер и задействует 128-битные ключи шифрования и динамические ключи сессии для обеспечения защиты беспроводной сети.

Фаервол (Firewall) — барьер, отгораживающий вашу собственность от злоумышленников, который может быть аппаратным или программным. Для среднестатистического пользователя Wi-Fi правильно сконфигурированного программного фаервола должно быть вполне достаточно. Большой популярностью пользуются программы Norton Firewall и Zone Alarm.

Для получения доступа к сети Wi-Fi нужен собственный ключ протокола WEP. Эти протоколы позволяют администратору беспроводной сети определять для каждого пользователя набор ключей, основанный на строке ключей, которая обрабатывается алгоритмом шифрования. Любой пользователь, не имеющий требуемого ключа, не может получить доступ в сеть. При включении WEP все станции получают свой ключ, который применяется для шифрования данных, прежде чем последние будут поданы на передатчик. Если станция получает пакет, не зашифрованный соответствующим ключом, он исключается из трафика. Подключение Wi-Fi по выделенной линии скоро перестанет доминировать, и хот-споты захватят города, как некогда это сделали Б ПС.

Технология WiMAX. Это технология широкополосной беспроводной связи, которая обеспечивает высокоскоростные соединения на больших расстояниях даже при отсутствии прямой видимости объекта, на отраженном сигнале. Сеть основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN. Технология «WiMAX» (Worldwide interoperability for microwave access — «Всемирное взаимодействие сетей для беспроводного доступа в микроволновом диапазоне») была создана для реализации так называемой связи «последней мили». WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у сетей Wi-Fi. Это позволяет использовать технологию в качестве магистральных каналов, продолжением которых выступают DSL и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках целых городов.

Принцип работы WiMAX. В общем виде сети WiMAX состоят из следующих частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и Интернетом. Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с. WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям. Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот 10—66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 120 Мбит/с. При этом по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако чем большее число БИС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надежность сети в целом. Структура сетей семейства стандартов IEEE 802.16 схожа с традиционными сетями GSM (БПС действуют на расстояниях до десятков километров, для их установки не обязательно строить вышки — допускается установка на крышах домов при соблюдении условия прямой видимости между станциями).

Фиксированный и мобильный варианты WiMAX. Набор преимуществ присущ всему семейству WiMAX, однако его версии существенно отличаются друг от друга. Разработчики стандарта искали оптимальные решения как для фиксированного, гак и для мобильного применения, но совместить все требования в рамках одного стандарта не удалось. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные рыночные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта (вернее, их можно считать двумя разными стандартами). Каждая из спецификаций WiMAX определяет свои рабочие диапазоны частот, ширину полосы пропускания, мощность излучения, методы передачи и доступа, способы кодирования и модуляции сигнала, принципы повторного использования радиочастот и прочие показатели. А потому WiMAX-системы, основанные на версиях стандарта IEEE 802.16 end, практически несовместимы.

Стандарт 802.16−2004 (известен как 802.16^/ и фиксированный WiMAX). Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

Стандарт 802.16−2005 (известен как 802.16е и мобильный WiMAX). Это новый виток развития технологии фиксированного доступа (802.16/7). Оптимизированная для функционирования мобильных пользователей версия поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер, idle mode (режим ожидания) и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOEDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX: 2,3—2,5; 2,5—2,7; 3,4—3,8 ГГц. Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только статичных абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента. В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Сравнение Wi-Fi и WiMAX. Сопоставления Wi-Fi и WiMAX — далеко не редкость, поскольку эти термины созвучны, название стандартов, на которых основаны эти технологии, похожи (стандарты IEEE, оба начинаются с «802»), а также обе технологии базируются на беспроводном соединении и используются для подключения к Интернету. Но несмотря на это, технологии направлены на решение совершенно различных задач. Wi-Fi и WiMAX имеют совершенно разный механизм quality of service (QoS — качество обслуживания). Wi-Fi использует механизм QoS, подобный тому, что применен в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковое QoS для каждого соединения. WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для любого включения.

Wi-Fi — система достаточно близкого действия, покрывающая десятки метров, которая применяет нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно пользователи используют Wi-Fi для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету.

WiMAX — система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая использует лицензированные спектры частот (хотя возможно и использование нелицензированных частот) для предоставления соединения с Интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа — от мобильного (схож с передачей данных с мобильных телефонов) до фиксированного (альтернатива проводному доступу, при котором беспроводное оборудование пользователя привязано к местоположению). Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.