8 Системы беспроводной передачи данных

Приступая к написанию последнего, восьмого раздела данной работы, следует сделать небольшую оговорку. В этом разделе читателю встретится описание ряда технологий, которые уже упоминались в других разделах работы (чаще всего в разделе 4 Сотовые (территориальные) системы). С технической точки зрения такой повтор обусловлен проявлением конвергенции – взаимопроникновения различных технологий связи, которая всё больше ощущается в современных системах. Другими словами, одна и та же технология может применяться, например, как для создания сотовой сети связи, так и для построения сети передачи данных. Такое положение дел обычно характерно для территориальных систем поколения 3G и выше. Поэтому при написании работы было решено, что в данном случае лучше допустить некоторые повторы, чем каждый раз отсылать читателя к описанию отдельных технологий в предыдущих разделах. Кроме того, при описании одной и той же технологии связи в разных разделах работы осуществлялась её более тесная привязка к конкретному виду беспроводной связи, которой был посвящен данный раздел. Впрочем, полностью избежать ссылок на предыдущие разделы автору не удалось.

Итак, с чего же начинались системы беспроводной передачи данных? Историю их развития можно проследить примерно с середины 60-х годов 20 века, когда впервые были сформулированы принципы построения сетей с пакетной коммутацией.

Сети с коммутацией пакетов первоначально разрабатывались по инициативе Министерства обороны США в рамках военной программы, направленной на повышение устойчивости системы управления государством и вооруженными силами в период кризисных ситуаций и в военное время. В условиях угрозы ядерного нападения Соединенным Штатам нужна была система передачи данных (на тот момент – в первую очередь для обеспечения голосовой связи), которая могла бы исправно функционировать при потере значительной части линий и оборудования. Традиционные телефонные сети с центром коммутации в виде АТС в крупных населённых пунктах после ядерного удара и уничтожения этих АТС оказались бы полностью парализованы.

В 1964 году RAND Corporation опубликовала работу своего сотрудника Пола Барана „О распределенных коммутациях“, в которой были сформулированы принципы избыточной коммуникативности и показаны различные модели формирования коммутационной системы, способной успешно функционировать при наличии значительных повреждений. В 1965 году впервые был связан компьютер TX-2 в Массачусетском технологическом институте (MIT) с компьютером Q-32 в Калифорнии по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии. Так была создана первая нелокальная компьютерная сеть, которая убедительно

Рис. 9 Системы беспроводной передачи данных

186

продемонстрировала, что сеть с коммутацией каналов неприемлема для таких задач [59]. Поэтому в дальнейшем разработки большинства компьютерных сетевых технологий строились на основе технологии коммутации пакетов.

В 1968 году в Национальной британской физической лаборатории (NPL) заработала первая компьютерная сеть с пакетной коммутацией, пиковая скорость передачи данных в ней достигала 768 кбит/с. В начале 70-х годов 20 века эта сеть объединяла порядка 200 компьютеров и работала со скоростью обмена до 250 кбит/с. В том же 1968 году шведским отделением компании IBM была разработана сеть Token Ring, а Министерство обороны США одобрило версию первого в мире стандарта на компьютерные сети – MIL-STD-1553 (советский аналог ГОСТ 26765.52-87), который после ряда модификаций до сих пор применяется в бортовых системах [59].

В октябре 1967 года был представлен начальный план сети ARPANET, а в 1969 году в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе был построен и запущен первый узел ARPANET – прообраз будущего Internet. Второй узел был образован в Стэндфордском исследовательском институте (SRI), два следующих – в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и Университете штата Юта [59].

В 1970 году появилась первая спутниковая радиосеть передачи данных ALOHA, связавшая различные университетские учреждения Гавайского университета, разбросанные по отдельным островам Гавайского архипелага. Впервые компьютерная сеть стала беспроводной. В ALOHA был реализован принцип подтверждения и повторной посылки пакетов (АRQ), а также механизм множественного доступа к каналу с контролем несущей СSМА. В 1972 году ALOHA была соединена с сетью ARPANET. Тогда же начали развиваться и проекты создания пакетных радиосетей передачи данных, в том числе спутниковых [59].

22 мая 1973 года сотрудник исследовательского центра компании Xerox Роберт Меткалф подал своему руководству докладную записку, в которой впервые ввел слово „ethernet“ (от английского словосочетания ether net – эфирная сеть) и изложил основные принципы работы новой проводной локальной компьютерной сети, которые впоследствии были воплощены в стандарте IEEE 802.3, именуемом сегодня ethernet. В том же 1973 году была построена первая ethernet-сеть, которая связала два компьютера со скоростью 2,944 Мбит/с. В основу технологии ethernet был положен усовершенствованный принцип СSМА/СD с обнаружением коллизий. В 1974 году появляется статья Вирта Серфа и Роберта Кана, в которой впервые была описана концепция протокола TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Первый описывает способы разбиения информационного сообщения на пакеты и их передачи, второй управляет адресацией и маршрутизацией в сети. В этом же году компания BNN

187

запустила первую открытую службу пакетной передачи данных Telnet – коммерческую версию ARPANET [59, 80].

В 1976 году CCITT выпустила рекомендацию Х.25 – первый стандарт сети с пакетной передачей данных по выделенному каналу. Этот стандарт сделал массовые пакетные коммуникации реальностью.

В 1979 году начинается и успешно завершается к 1980 году процесс стандартизации протокола ethernet. А двумя годами ранее, в 1977 году японскими учёными был предложен метод адаптации технологии ethernet к передаче данных через радиоканал посредством механизма подтверждений. Эта работа заложила основу будущих беспроводных сетей стандартов IEEE 802.11 и IEEE 802.15. В 1979 году пакетная радиосеть заработала на военной базе США Форт-Брэгг, а в 1980 году стек протоколов TCP/IP был принят в качестве военного стандарта США. В 1983 году сеть ARPANET была переведена на протокол TCP/IP взамен действовавшего изначально NCP [59].

Ещё с 1977 года протоколы TCP/IP начали использовать другие компьютерные сети для подключения к ARPANET. С 1984 года Национальный научный фонд США (National Science Foundation) начал инвестировать научную компьютерную сеть NSFNET, изначально работающую на основе протоколов TCP/IP и объединившую научные центры и университеты США. В период с 1984 года по 1986 годы к NSFNET примкнули NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства), DOE (Министерство энергетики), DOD (Министерство обороны) и National Institutes of Health (Национальная организация здравоохранения). Таким образом, образовались шесть первых сегментов будущей сети (.gov, .mil, .edu, .com, .org, и .net) и начиная с 1986 года можно реально говорить о становлении общенациональной компьютерной сети на территории США – Internet [80].

1989 год – последний год существования ARPANET. Фактически её закат начался в 1986 году, когда встал вопрос о включении машин NSFNET в сеть ARPANET. Ещё в 1983 году исходя из соображений секретности из ARPANET выделилась сеть MILNET, объединившая военные организации и обслуживающая оперативные нужды Министерства обороны США. Руководство ARPANET не сочло возможным войти в проект NSFNET, поэтому дальнейшее развитие Internet продолжилось без ARPANET, которая к 1990 году была закрыта. Сеть же Internet, напротив, стала бурно развиваться и очень скоро вышла за границы США, став к настоящему времени действительно глобальной [80].

Развитие сети Internet в глобальном масштабе обусловило массовый спрос на сетевые технологии. Второй составляющей этого процесса стало появление персонального компьютера, сделавшего Internet доступным не только для крупных научных центров, государственных учреждений и промышленных кругов, но и для самых широких слоев населения планеты. Всё это резко подтолкнуло развитие полупроводниковых технологий, а

188

массовый спрос на них привёл к значительному удешевлению элементной базы. В дальнейшем появление и развитие сотовой телефонии ещё больше ускорило процесс совершенствования полупроводниковых технологий.

Массовый спрос на сетевые технологии, персональный компьютер и достаточно дешевая элементная база стали теми слагаемыми, которые и привели к появлению современных высокоскоростных систем беспроводной передачи данных. Отсутствие одной из этих трех составляющих сразу же переводит любые сетевые беспроводные решения из разряда массовых в разряд уникальных, очень дорогих и мало востребованных технологий (как это, собственно, и было на заре их развития).

Прежде чем рассматривать конкретные современные системы беспроводной передачи данных, необходимо сказать несколько слов о их классификации по признаку географической протяженности [59] (то есть, по величине зоны радиопокрытия для радиоэфирных систем и по дальности связи для систем передачи данных в инфракрасном диапазоне). В настоящее время общепринятой считается следующая классификация, представленная на рис. 9.

WPAN – Wireless Personal Area Network – беспроводная персональная сеть, развернутая на рабочем месте или дома. Дальность действия сетей WPAN обычно не превышает 10 м, хотя иногда может увеличиваться до 100 м. К беспроводным сетям WPAN можно отнести сети, построенные по технологиям (стандартам) Bluetooth, HomeRF (SWAP), Wireless USB (WUSB), IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.3а, IEEE 802.15.4, IrDA (передача данных в инфракрасном диапазоне) [59, 81].

WLAN – Wireless Local Area Network – беспроводная локальная сеть. Дальность действия сетей WLAN обычно составляет около 100 м, хотя в случае необходимости такие сети с помощью сотовой структуры могут покрывать довольно значительные пространства. К беспроводным сетям WLAN в первую очередь можно отнести группу стандартов, известных под коммерческим наименованием Wi-Fi. Кроме того, WLAN может быть построена на основе атмосферных оптических линий связи АОЛС (англоязычная аббревиатура FSO), причем в этом случае дальность действия беспроводной линии составляет до 2500 – 5000 м в зависимости от выбранного оборудования (должна быть обеспечена прямая видимость двух приёмопередающих станций) [59, 81, 82]. Если речь идёт о предоставлении доступа к сети Internet, технологии WLAN-сетей иногда называют технологиями „последнего метра“.

WMAN – Wireless Metropolitan Area Network – беспроводная мегаполисная сеть (беспроводная сеть масштаба города). Дальность действия WMAN составляет около 50 км. К беспроводным сетям WMAN можно отнести сети, построенные на основе стандартов WiMax и его разновидностей, сверхширокополосные системы UWB, а также сети на основе стандартов Wi-Fi с сотовой структурой, развернутые на территориях

189

с сопоставимым масштабом [59, 81]. Если речь идёт о предоставлении доступа к сети Internet, технологии WMAN-сетей иногда называют технологиями „последней мили“.

WWAN – Wireless Wide Area Network – беспроводная глобальная или региональная сеть. Сеть WWAN обычно покрывает значительную географическую территорию, хотя радиус действия одной приёмо-передающей станции такой сети всегда значительно меньше покрытой сетью территории. Это достигается за счёт сотовой структуры сети. Если рассматривать действующие сети сотовой связи с точки зрения передачи данных, их все можно отнести к разряду WWAN. Таким же образом (т. е. с использованием сотовой структуры) может быть построена и WWAN-сеть на основе стандарта WiMax и его разновидностей. С другой стороны, все спутниковые системы, которые допускают передачу данных, тоже с полным правом могут быть отнесены к WWAN-сетям. По-настоящему глобальная беспроводная сеть передачи данных может быть построена только на основе спутниковых систем связи [59, 81].

Рассмотрим более подробно основные стандарты и технологии, которые применяются для построения систем беспроводной передачи данных.