Обзор беспроводных технологий связи

В настоящее время технология беспроводной связи переживает настоящий бум своего развития. В основном это связано с прочным входом в нашу жизнь смартфонов, планшетных компьютеров и нетбуков, которые для полноценного использования требуют постоянный доступ к сети интернет, в том числе и при движении.

Кроме этого, в промышленности, сельском хозяйстве ну и естественно в военной сфере назревает необходимость в организации надежных систем управления распределенными объектами и объединение их в глобальную сеть. Подобные тенденции наблюдаются во всем мире и ведут к неминуемому развитию беспроводных технологий связи.

Подтверждению этому служит огромное количество статей и аналитических обзоров, которые выдаются в поисковых системах по запросу сетецентрические технологии и системы.

Термин сетецентризм подразумевает под собой наличие единого информационного пространства, максимизации ситуационной осведомлённости всех входящих в него абонентов и непрерывности взаимодействия. Что естественным образов подразумевает под собой кардинальный пересмотр отношения к системам связи, в том числе и к беспроводным связям, что неминуемо ведет к их активному развитию и совершенствованию.

В этой статье я проведу краткий обзор существующих коммерческих технологий и стандартов беспроводной связи. Чтобы было проще ориентироваться в большой номенклатуре технологий, введем классификацию по дальности связи и количеству абонентов входящих в беспроводную сеть. Всего введем шесть градации:

1. Персональные беспроводные сети.
2. Беспроводные сенсорные сети.
3. Малые локальные беспроводные сети.
4. Большие локальные беспроводные сети.
5. Глобальные беспроводные сети.
5.1 Мобильная связь поколения 1G.
5.2 Мобильная связь поколения 2G.
5.3 Мобильная связь поколения 2.5G.
5.4 Мобильная связь поколения 3G.
5.5 Мобильная связь поколения 3.5G.
5.6 Мобильная связь поколения 4G.
5.7 Другие глобальные беспроводные сети.
6. Спутниковая связь.

1. К персональным беспроводным сетям относятся:

IrDA (Infrared Data Association), инфракрасный порт – группа стандартов, описывающих протоколы физического и логического уровня передачи данных по оптической линии связи с использованием инфракрасного диапазона световых волн. Сейчас ИК-порты в основном используются в пультах управления. В телефонах, смартфонах, ноутбуках и в другой вычислительной технике их вытеснили такие беспроводные линии связи, как Bluetooth, Wi-Fi и т.д. из-за маленькой дальности, возможности передачи данных только при прямой видимости приемника и передатчика и других особенностей устройства ИК-портов.

Bluetooth – спецификация радиосвязи малого радиуса действия (обычно до 200 метров) в диапазоне частот свободном от лицензирования (ISM-диапазоне: 2,4-2,4835 ГГц). В основу радиосвязи Bluetooth положен алгоритм FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) обеспечивающий псевдослучайную перестройку частот 1600 раз в секунду (раз в 625 Мкс). Для перестройки доступно 79 рабочих частот в диапазоне 1 МГц. В некоторых странах количество выделяемых частот уже, так в Японии, Франции и Испании – 23 частотных канала. Последовательность переключения частот знают только передатчик и приемник, входящие в одну и ту же сеть, которые синхронно переключают рабочие частоты. Для другой пары приемник-передатчик последовательность переключения будет отличаться. Благодаря этому возможна одновременная работа нескольких пар приемник-передатчик в перекрывающихся областях передачи данных.

UWB (Ultra-Wide Band) – технология беспроводной связи на малых дальностях (около 10 метров), использующая на сегодняшней день (01.09.2012) самый широкий диапазон частот для коммерческих устройств связи. Так в США выделен диапазон от 3.1 до 10.6 ГГц, в Евросоюзе от 6 до 8 ГГц, в России от 2,85 до 10 ГГц. Большие проблемы на пути становления этой технологии связаны с пересечением диапазона частот с частотами многих военных и гражданских радаров и других изделий. Однако, благодаря сверхмалой дальности связи и использования малой мощности, сигналы устройств созданных на базе технологии UWB не сказываются на работе военной и гражданской технике использующей те же диапазоны частот. Использование широкого диапазона частот позволяет достичь огромных скоростей, однако скорость очень быстро падает с увеличением дальности. Так на дальности 3 м обеспечивается скорость до 480 Мбит/с. На дальности 10 метров скорость будет уже 110 Мбит/с. Такое большое снижение скорости связано с большим искажением широкополосного сигнала за счет дисперсии электромагнитного изучения.

Wireless USB, беспроводной USB – предназначен для замены проводного USB. Основная задача WUSB обеспечение высокоскоростного обмена на сверхмалых расстояниях и обеспечение взаимодействия персонального компьютера с периферийным оборудованием: сканерами, принтерами, видео и фото камерами, внешними жесткими дисками и так далее. Высокая скорость (до 180 Мбит/с) обеспечивается на расстояниях до 10 метров и критически сильно падает при увеличении расстояния между приемником и передатчиком. Высокая скорость обеспечивается за счет применения широкополосного сигнала по технологии UWB, им же объясняется и малые расстояния передачи данных.

Wireless HD – беспроводная технология передачи данных, в основном предназначенная для передачи HD-видео, однако ничего не мешает использовать ее для организации беспроводной сети. Теоретическая максимальная пропускная способность Wireless HD может достигать 28 Гбит/с на расстоянии до 10 Метров. Столь большую пропускную способность обеспечивает работа с широкополосным сигналом (7 ГГц) при частоте сигнала в районе 60 ГГц. Однако это приносит и существенные проблемы: для передачи сигнала на частоте в районе 60 ГГц требуется, чтобы приемник и передатчик находились в зоне прямой видимости друг-друга, иначе предметы, попавшие между ними, будут прерывать сигнал и передача будет неустойчивой.
Для обеспечения стабильной связи в помещениях, где далеко не всегда есть возможность располагать устройства в зоне прямой видимости, разработчики приложили немало усилий и значительно смягчили жесткие ограничения передачи данных на сверхвысоких частотах. В основном это было обеспечено за счет ввода распределенной системы антенн, которые образуют сеть, позволяющую поддерживать стабильную передачу данных.

WiGig (IEEE 802.11ad.) – технология широкополосной беспроводной связи, работающая в нелицензируемой полосе частот 60 ГГц и обеспечивающая передачу данных до 7 Гбит/с на расстояния до 10 метров. WiGig обратно совместим со стандартом Wi-Fi (IEEE 802.11).
Использование для передачи данных диапазона частот в районе 60 ГГц приводит к быстрому затуханию сигнала и необходимости обеспечения прямой видимости между приемником и передатчиком. Для уменьшения влияния негативных эффектов в WiGig используется узконаправленная передача сигнала, что требует дополнительного времени для установки связи (до нескольких секунд). Если установить связь в зоне прямой видимости не удалось, то технология предусматривает возможность передачи данных на пониженных частотах - 2,4 и 5 ГГц.

WHDi, Wireless Home Digital Interface (Amimon) – беспроводная технология передачи данных, используемая для высокоскоростной передачи данных и оптимизированная для передачи видео высокого разрешения. Технология WHDi позволяет, например, связывать компьютер или ноутбук с монитором без проводов.
Для передачи используется частотный диапазон 5 ГГц обеспечивающий скорость 3 ГБит/с. В WHDi используется специальная технология кодирования «video-modem» обеспечивающая помехозащищенность и защиту от ошибок передачи данных, и как результат высокое качество ретранслируемого видео.

LibertyLink – технология организации беспроводной персональной сети, разработанная компанией Aura. Для передачи информации используется эффект магнитной индукции. Вокруг передатчика образуется магнитное поле, модулированное за счет использования Гауссовского смещения. Приемник, находящийся в магнитном поле, чувствителен к его модуляциям, из-за которых возникает наведенный ток. Изменения силы тока, возникающего в приемнике, преобразуются в данные. Технология LibertyLink позволяет передавать данные со скоростью до ~200 Кб/с на дальности до 3 метров.

DECT/GAP – цифровая усовершенствованная система беспроводной телефонии -технология беспроводной связи, используемая в современных радиотелефонах. Для передачи данных используется частота 1880—1900 МГц в Европе и 1920—1930 МГц в США. Передача данных основывается на методе с использованием нескольких несущих и принципа множественного доступа с разделением времени. Канал разделяется на кадры длительностью 10 мс. Каждый кадр делится на 24 слота, каждый из которых может использоваться для передачи и приема данных. Обычно первые 12 слотов используются для передачи данных, а следующие 12 слотов – для приема. Использование технологии DECT/GAP позволяет получить качественную передачу голоса по беспроводному каналу связи, высокую помехозащищенность, безопасность и защиту от прослушивания, и все это при низком уровни излучения, безопасном для здоровья.

2. К беспроводным сенсорным сетям относятся:

DASH7 – стандарт организации беспроводных сенсорных сетей.
Сенсорная сеть – это сеть миниатюрных вычислительных устройств, снабженных сенсорными датчиками (например, датчиками температуры, давления, движения, освещенности и так далее), приемо-передатчиками сигнала и миниатюрным источником питания. Дальность беспроводной связи зависит от мощности передаваемого сигнала, и с увеличением дальности сильно падает пропускная способность линии связи. Так как сенсорная сеть под собой понимает использование миниатюрных автономных датчиков, то и мощность сигнала сильно ограничена, так как увеличение мощности ведет к сокращению срока автономной работы датчиков.
В стандарте DASH7 используется частота сигнала 433 МГц, находящаяся в нелецензируемом диапазоне частот. При передачи данных на расстояние до 2 км обеспечивается скорость 200 Кб/с. Технология DASH7 открытая и составляет серьезную конкуренцию патентованным технологиям организации беспроводных сенсорных сетей, таких как ZigBee или Z-Wave.

Z-Wave – технология беспроводной радиосвязи, используемая для организации сенсорных сетей. Основное назначения сетей Z-Wave - дистанционное управление бытовой техникой и различными домашними устройствами, обеспечивающими управление освещением, отоплением и другими устройствами для автоматизации управления жилыми домами и офисными помещениями.
Технология Z-Wave обеспечивает передачу данных на расстояние до 30 метров в условиях прямой видимости со скоростью 9,6 кбит/с или 40 кбит/с, при частотах 869.0 МГц в России, 908.42 МГц в США, 868.42 МГц в Европе и т.д.
Так как в домашних условиях и в условиях офиса невозможно обеспечить нахождения всех датчиков сети в прямой видимости друг друга, в стандарте Z-Wave каждый узел или устройство могут ретранслировать данные другим узлам. Таким образом, если требуется передать данные узлу, который находится вне зоны видимости, это можно сделать через цепочку узлов. Причем сети Z-Wave обладают элементами самоорганизации в зависимости от внешних факторов. Например, при возникновении преграды между двумя ближайшими узлами сети, сигнал будет автоматически передан через цыпочку других узлов сети.

Insteon – комбинированная (частично проводная и частично беспроводная) сенсорная сеть. Для передачи информации используется радиосигнал на частоте 902-924 МГц, обеспечивающий передачу данных на дальности до 45 метров в условиях прямой видимости со средней скоростью 180 бит/с. Для передачи информации по проводу используется электропроводка дома или офиса. Использование комбинированной сети повышает ее надежность и позволяет избежать проблем, связанных с помехами или перекрытиями зон видимости при передаче данных по радиоканалу. Сенсорная сеть Insteon обычно используется для автоматизации дома или офиса. Свое начало берет из США, где была создана для замены сенсорной сети Х10 и откуда перебралась в Европу.

EnOcean - технология организации беспроводных сенсорных сетей, использующая сверхминиатюрные датчики с генераторами электроэнергии, микроконтроллерами и приемо-передатчиками. Использование генераторов электроэнергии и элементов со сверхнизким энергопотреблением, позволяет элементам сети EnOcean работать автономно, практически без элементов питания, очень длительный период времени. Сети EnOcean в основном используются для автоматизации домов и офисов. Технология EnOcean позволяет передавать данные на частоте 868 МГц (для Европы, в других странах частота может отличаться, так как это лицензируемый диапазон частот) со скоростью 120 Кбит/с на расстояния до 300 метров в пределах прямой видимости. Естественно, в помещениях этот показатель значительно меньше и зависит от материалов стен и планировки здания. Каждый элемент сети имеет свой 32-х разрядный идентификационный номер и протокол обмена, защищающий от взаимных помех соседние датчики, что позволяет устанавливать до 4 миллиардов устройств в непосредственной близости друг от друга (по данным с сайта разработчиков технологии) без взаимной интерференции.

ISA100.11a – стандарт организации промышленных сенсорных сетей, сетей датчиков и приводов. Для передачи используется низкоскоростная беспроводная связь с использованием элементов с низким энергопотреблением. Отличительная особенность ISA100.11a от других сенсорных сетей:
– ориентированность на промышленное использование и соответственно специфические требования к прочности, помехозащищенности, надежности и безопасности,
– возможность эмуляции средствами технологии ISA100.11a протоколов уже существующих и проверенных проводных и беспроводных сенсорных сетей.
Обмен данными осуществляется на частоте в районе 2,4 ГГц и скорости порядка 250 кбит/с.

WirelessHART – протокол передачи данных по беспроводной линии связи, разработанный HART Communication Foundation для передачи данных в виде HART сообщений в беспроводной среде. HART – протокол обмена данными для взаимодействия с полевыми датчиками на основе расширяемого набора простых команд «запрос-ответ», передаваемых в цифровом виде по 2-проводной линии. WirelessHART обеспечивает передачу данных со скоростью до 250 кбит/с на расстояние до 200 м (в пределах прямой видимости) при частоте передачи данных в диапазоне 2.4 ГГц.

MiWi – протокол для организации сенсорных и персональных сетей с низкой скоростью передачи данных на небольшие расстояния, основанный на спецификации IEEE802.15.4 для беспроводных персональных сетей. Сеть на базе MiWi может содержать до 1024 узлов, управляемых до 8 координаторами. Каждый координатор может обеспечивать взаимодействие до 127 узлов. Передача данных ведется в диапазоне частот 2.4 ГГц (предусмотрена работа в диапазоне частот 868 МГц и 915 МГц с более низкими скоростями) при скорости до 250 Кб/с.

6LoWPAN – стандарт, обеспечивающий взаимодействие малых беспроводных сетей (частных сетей или сетей датчиков) с сетями IP по протоколу IPv6. Используется в основном для организации сетей датчиков и автоматизации жилого и офисного помещения с возможностью управления через интернет, однако могут использоваться и автономно как простые беспроводные сети датчиков. Передача данных в стандарте 6LoWPAN подразумевает использование субгигагерцового диапазона и обеспечивает скорость передачи от 50 до 200 кбит/с на расстояние до 800 метров.

One-Net – открытый протокол для организации беспроводных сенсорных сетей и сетей автоматизации зданий и распределенных объектов. Позволяет организовывать сети, включающие в себя до 4096 узлов с несколькими координаторами и ретрансляторами, увеличивающими дальность передачи данных. Передача данных обеспечивается на расстояния до 100 метрах в помещении и до 500 метрах на открытых пространствах при скорости передачи данных 28.4 – 230 Кбит/с.

Wavenis – беспроводная технология передачи данных, использующая частоты 433/868/915 МГц и обеспечивающая передачу на расстояние до 1000 м на открытом пространстве и до 200 м в помещении при скорости до 100 Кбит/с. Технологию Wavenis используют для организации персональных сетей и сетей датчиков, так как сверхнизкое потребление приемо-передающих устройств позволяет им работать автономно до 15 лет от одной батарейки.

RuBee – локальная беспроводная сеть, которая, в основном, используется как сеть датчиков. Для передачи данных в RuBee используются магнитные волны, и передача осуществляется на частоте 131 КГц, что обеспечивает скорость всего лишь 1200 бот в секунду на расстояниях от 1 до 30 метров. Однако позволяет значительно снизить энергопотребление и позволяет узлам сети работать автономно в течении нескольких лет от одной батарейки.
Используется сеть, в основном, для специфических целей, не требующих большого быстродействия, но требующих долгой автономной работы и надежной, защищенной связи. Использование низкой частоты позволяет избежать проблем связанных с передачей данных в помещениях, так как сигнал не отражается и не блокируется стенами и другими предметами. Сеть RuBee в США сертифицирована Министерством Обороны и Министерством Энергетики и рекомендована для использования в объектах повышенной опасности.

3. К малым локальным беспроводным сетям относятся:

HiperLAN (High Performance Radio LAN) – стандарт беспроводной связи. Существует две ревизии стандарта: HiperLAN 1 и HiperLAN 2. Стандарт HiperLAN 1 выпущен 1981 году и описывает более медленную линию связи, обеспечивающую скорость передачи данных до 10Мбит/с на расстоянии до 50 метров. В данной ревизии использовался асинхронный режим передачи и механизм множественного доступа, аналогичный используемому в семействе локальных сетей шинного типа со случайным доступом с предотвращением конфликтов.
Выпущенная в 2000 году ревизия стандарта уже описывает более высокоскоростную беспроводную линию передачи данных. HiperLAN 2 использует для передачи данных широкополосный сигнал на частоте в районе 5 ГГц, обеспечивающий скорость передачи данных до 54 Мбит/с на расстоянии до 150 метров. При этом обе ревизии позволяют работать с мобильными объектами, передвигающимися со скоростью до 1.4 м/с (ревизия HiperLAN 1) и до 10 м/с (ревизия HiperLAN 2).

Wi-Fi – торговая марка объединения Wi-Fi Alliance, представляющая собой семейство стандартов спецификации IEEE 802.11 для широкополосной радиосвязи. В зависимости от стандарта, Wi-Fi использует для передачи данных диапазон частот в районе 2,4 ГГц или 5 ГГц и обеспечивает скорость передачи данных от 2 Мбит/с на расстояниях до 200 метров. Wi-Fi используется для организации беспроводных локальных сетей и беспроводного подключения к Интернету. Wi-Fi одна из самых популярных групп стандартов и повсеместно используется для организации домашних и офисных сетей, публичного доступа к Интернету в гостиницах, кафе, магазинах и в других публичных местах.

Zigbee – технология организации беспроводных сенсорных и персональных сетей. Технология Zigbee обеспечивает невысокое потребление энергии и передачу данных на нелецензируемой частоте 2.4 ГГц (для различных стран частота может отличаться) со скоростью до 250 Кб/с, на расстояние до 75 метров в условиях прямой видимости. Поддерживаются как простые сети типа точка-точка и звезда, так и сложные сети с ретрансляцией и автоматической маршрутизацией, позволяющие передавать данные между двумя узлами, находящимися не в зоне прямой видимости, через цепочку узлов сети.
Сети Zigbee используются как для коммутации отдельных устройств, например, беспроводных наушников или колонок с компьютером или смартфоном, так и для организации сложных сетей по автоматизации управления домом и офисом.

RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access) – технология беспроводной передачи данных с использованием оптического сигнала. Используется для организации полнодуплексных соединений тип точка - точка по стандарту Ethernet, обеспечивая скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстоянии до 1.4 км при примой видимости абонентов. При сложных погодных условиях (снег, дождь, туман) дальность и скорость связи значительно падает, и могут возникать сбои при передаче данных.

4. К большим локальным беспроводным сетям относятся:

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – беспроводная технология передачи данных основанная на стандарте IEEE 802.16. Основное назначение технологии – это высокоскоростная связь на больших расстояний и предоставление доступа в интернет. Существует две ревизии WiMAX, одна из которых (собственно WiMAX) основана на стандарте IEEE 802.16d, а вторая (WiMAX Mobile) основана на стандарте IEEE 802.16e. В разработке находится третья ревизия - WiMax 2, которая будет значительно опережать по скорости и дальности связи первые две ревизии.
WiMAX осуществляет передачу данных на частоте 1,5-11 ГГц со скоростью до 75 Мбит/с на расстояние до 80 км. WiMAX Mobile осуществляет передачу данных на частоте 2,3-13,6 ГГц со скоростью до 40 Мбит/с на расстояние до 5 км.

HiperMAN - беспроводная технология передачи данных на базе стандарте IEEE 802.16. Европейская альтернатива технологии WiMAX. HiperMAN специализирован для пакетной передачи данных и организации беспроводных IP-сетей. Имеет характеристики (диапазон частот, скорость и дальность передачи данных) схожие с технологией WiMAX.

WiBro (Wireless Broadband) – беспроводная технология высокоскоростной передачи данных на большие расстояния, основанная на стандарте IEEE 802.16e. Северокорейский аналог технологии WiMAX Mobile. Для передачи данных используется диапазон частот 2,3-13,6 ГГц, при этом в Северной Корее выделен диапазон 2,3-2,4 ГГц. Максимальная пропускная способность базовых станций составляет 30-50 Мбит/с на дальностях до 5 км при движении объекта со скоростью меньше 120 км/ч.

Classic WaveLAN – технология беспроводной связи используемая для организации локальных сетей (беспроводная альтернатива проводных сетей Ethernet и Token Ring). Передача данных осуществляете в диапазоне частот в 900 МГц или 2.4 ГГц, при этом обеспечивается скорость передачи до 2 Мбит/с.

5. К глобальным беспроводным сетям относятся:

Поиск по сайту: