Беспроводные сети передачи данных на базе технологии
размытого спектра радиочастот

Игорь Казаковцев, тел. 232-1189

Введение

Технология передачи данных, о которой сегодня пойдет речь, для нашей страны уже выходит из разряда новейших, поступательно и планомерно переходя в разряд распространенных, причем повсеместно распространенной. В России, как и в странах ближнего зарубежья, беспроводные сети передачи данных выбрали свой особый путь, отличный от западного. Отличный и по целям применения, и по темпам распространения, и по проблемам, которые встают на этом пути.

Зачем нужны беспроводные сети
Во-первых, о целях. Во всем мире отказ от кабельных сетей в пользу беспроводных происходит, прежде всего, из соображений удобства, повышения уровня сервиса, исходя из новой идеологии доступа к единому мировому информационному пространству не только из мест, обозначенных компьютерными розетками, но и из любой точки этого самого информационного пространства. Так что с идеологической точки зрения беспроводные технологии - это технологии будущего, технологии XXI века. И Запад вползает в них постепенно, эволюционно, сохраняя всю имеющуюся мощную кабельную инфраструктуру - от абонентских до магистральных линий связи. И поэтому основные сферы приложения беспроводных сетей на Западе следующие:

1) крупные предприятия розничной или оптовой торговли, где сотрудники перемещаются по большим торговым залам, и должны иметь связь с центральной базой данных и с диспетчерской;
2) большие больницы, где медицинский персонал перемещается из палаты в палату и все изменения в истории болезни больного должны сразу попадать в информационную систему больницы;
3) различные биржи, где брокеры и маклеры не сидят на месте, но должны не терять связь с центральной сетью;
4) производственные предприятия, где прокладка кабеля слишком сложна и дорога;
5) различные выставки и семинары, где сети надо разворачивать по временной схеме.

Но это основные применения беспроводных сетей на Западе. В России же, где нет развитой инфраструктуры сетей связи даже в крупных городах (именно поэтому для передачи данных чаще всего используются ТФОП, спроектированные для передачи голоса, что порождает много проблем для телефонистов), где много городов и регионов, в которых просто нет никаких сетей передачи данных, и вместе с тем идет стремительный рост корпоративных сетей и еще более стремительно растет потребность в доступе к единому мировому информационному пространству, олицетворением которого стал Интернет, так вот в России беспроводные сети часто оказываются единственным средством организации: абонентских линий для передачи данных; каналов связи для корпоративных сетей; и даже опорных сетей передачи данных масштаба города или района.

Таким образом, у нас беспроводные сети используются, прежде всего, не внутри зданий, как на Западе, а снаружи, на больших расстояниях. При этом все плюсы беспроводных сетей, разворачиваемых внутри зданий, остаются и в наших условиях. Беспроводные локальные сети (БЛВС) обладают следующими преимуществами перед кабельными сетями ЛВС:

возможность неограниченного передвижения в области покрытия БЛВС, сохраняя доступ к корпоративным информационным ресурсам; - возможность инсталляции БЛВС в случаях, когда установка обычной кабельной сети затруднена или невозможна (в исторических зданиях, на открытой местности);
возможность создания мобильных передвижных ЛВС;
высокая скорость развертывания БЛВС;
близкая к нулю стоимость эксплуатации БЛВС.

И все-таки основное применение для беспроводных сетей у нас в стране - это объединение территориально удаленных компьютеров.

Подчеркнем еще раз, что в настоящем сообщении рассматриваются только технологии, работающие в радиочастотном диапазоне. А радиооборудование, используемое для передачи данных на большие расстояния, можно разбить на следующие классы.

- Радиорелейные станции. Они применяются связистами уже давно. Имеют пропускную способность до 20 Мб/с. Обеспечивают дальность в десятки километров и стоят десятки тысяч долларов.
Радиомодемы, работающие в узком диапазоне частот. Пропускная способность - до 2 Мб/с. Расстояние - десятки километров. Цены за пару (комплект связи 2-х точек) - 10-20 тысяч долларов. Узкополосный сигнал обладает значительной энергией, поэтому становится довольно сильным источником помех и, наоборот, сам уязвим для внешних шумов.
Радиооборудование, работающее с широкополосным сигналом по технологии размытого спектра (spread spectrum). Предназначено для передачи данных от многих компьютеров в пакетном режиме, что, как известно, дает экономию пропускной способности канала. Передача осуществляется на расстояние в десятки километров при стоимости в тысячи долларов. Именно это оборудование и получило широчайшее распространение в мире и у нас в стране. Именно об этом оборудовании и пойдет дальше речь.

Технология широкополосного радиосигнала с размытым спектром
Spread Spectrum системы существуют уже много лет. Однако они использовались почти исключительно для военных и научных целей. В 1985 году Федеральная правительственная комиссия США по средствам связи (FCC) допустила коммерческое использование Spread Spectrum. Свойства, которые делали Spread Spectrum привлекательным для военных, делают его идеальным и для промышленного использования. Это такие свойства, как устойчивость к помехам и преднамеренному вмешательству, трудности в обнаружении и перехвате, возможность закрытия информации.

Идея данной технологии состоит в том, что спектр информационного сигнала, занимающего в зависимости от скорости передачи полосу 1-10 МГц, "размывается" на более широкую полосу в несколько десятков мегагерц, при этом алгоритм преобразования сигнала носит псевдослучайный характер, известный только на передающей и принимающей стороне. В результате, при воздействии электромагнитных помех на результирующий шумоподобный сигнал, происходит искажение лишь части спектра передаваемого сигнала и, в силу имеющейся избыточности, исходный информационный сигнал может быть полностью восстановлен. С другой стороны, в силу псевдослучайного характера преобразования, даже если сигнал будет перехвачен, выделение информационной части практически невозможно при неизвестном алгоритме.

Для формирования сигнала с расширенным спектром используется две различные технологии - скачкообразная перестройка частоты, СПЧ (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) и формирование псевдошумового сигнала ПШС, называемого также сигналом с расширенным спектром по принципу прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum).

При использовании технологии СПЧ частота радиосигнала скачкообразно меняется в процессе передачи по псевдослучайному алгоритму, известному только на передающей и принимающей сторонах. Приемное устройство перестраивается синхронно с передатчиком, таким образом поддерживая единый логический канал. При использовании различных алгоритмов перестройки можно обеспечить одновременную работу нескольких БЛВС. В случае, если алгоритм переключения частот неизвестен на приемной стороне, СПЧ-сигнал воспринимается как кратковременный шумоподобный импульс.

Согласно стандарту, передача на каждой частоте должна продолжаться не менее 0.4 с и повторяться через 20 с для диапазона 902 МГц и 30 с для диапазона 2.4 ГГц. Количество частотных каналов не должно быть менее 50 и 75 соответственно. Стандарт IEEE 802.11 ограничивает использование СПЧ технологии диапазоном 2.4 ГГц, количество частот - 79.

Беспроводные устройства, основанные на скачкообразной перестройке частоты, выпускают многие производители беспроводного оборудования, в том числе компании IBM (Wireless LAN Entry), XIRCOM (Netwave Corp. - Netwave), BreezeCOM (BreezeNet), Proxim (RangeLAN2) и другие.

При использовании псевдошумового сигнала расширение спектра сигнала происходит за счет добавления псевдослучайной последовательности битов, называемых "chips", к каждому информационному биту передаваемого сигнала. Также, как и для метода СПЧ, приемное устройство для декодирования сигнала должно знать алгоритм формирования последовательности добавляемых битов. Чем больше количество добавочных битов на информационный пакет, тем более помехоустойчивым является канал связи, но тем меньше эффективная скорость передачи. FCC определяет, что каждый информационный пакет должен иметь как минимум 10 "chips", а стандарт IEEE 802.11 увеличивает их число до 11. Данное требование ограничивает скорость передачи информации величиной 2 Мб/c для частотного диапазона 902 МГц и 8 Мб/с для диапазона 2.4 ГГц. Если на приемной стороне алгоритм формирования дополнительных битов не известен, то сигнал воспринимается в виде широкополосного шума.

В настоящее время большинство производителей придерживаются технологии СПЧ (примерно в отношении 13:2), что определяется преимуществами этого метода формирования широкополосного сигнала. К ним относится:

большая устойчивость к электромагнитным помехам;
большая устойчивость к помехам, вызванным открытыми дверями и другими препятствиями;
простота расширения сети;
постоянная скорость передачи;
меньшие вес и габариты;
меньшее потребление энергии;
малая стоимость.

С другой стороны, такие преимущества технологии ПШС, как большая дальность, более высокая скорость передачи информации и широкие возможности роуминга привели к тому, что большинство установленных радиосетей в настоящее время выполнены с помощью ШПС-систем. Сетевое оборудование для ПШС-сетей производят в настоящее время компании Lucent Technologies (AT&T), Aironet Communication, DEC, Solectek Сorporation.

Темпы развития технологии. Проблемы
И если на заре появления БЛВС их развитие шло относительно медленно, прежде всего, в силу высокой стоимости, низкой пропускной способности и отсутствия стандартов, то к настоящему времени БЛВС по темпам развития существенно обгоняют кабельные сети. По данным фирмы Yankee Group, занимающейся исследованием рынка БЛВС, к 2000 году объем продаж беспроводного оборудования составит $1 млрд. Дальнейшее развитие беспроводные технологии получили после принятия стандарта IEEE 802.11, ставшего первым шагом к полной совместимости беспроводного оборудования различных производителей. Если темпы развития БЛВС сохранятся, то в XXI веке беспроводные технологии станут основными при построении локальных сетей.

Проблемы Запада - это проблемы стандарта IEEE 802.11. Он по-прежнему:

не описывает, как реализовывать роуминг;
не определяет, как 802.11-совместимые точки доступа различных производителей будут взаимодействовать друг с другом по проводной сети;
определяет частоту 2.4 ГГц и скорость передачи только до 2 Мб/с. Этого недостаточно, наращивание скоростей каждым производителем может привести к несовместимости.

Проблемы России - это необходимость получения лицензий. Чаще всего для передачи сигнала в радиосетях используются специальные диапазоны частот - так называемые промышленные, научные и медицинские частоты - 902-928 МГц, 2.4-2.483 ГГц и 5.725-5.875 ГГц (ISM - industrial, scientific, medical). Их широкое внедрение связано с тем фактом, что во многих странах ISM частоты являются нелицензируемыми, т.е. для использования соответствующего оборудования не нужно получать разрешения. К сожалению, в соответствии с российским законодательством, необходимо получать лицензии на любые радиопередающие устройства, в том числе работающие в ISM диапазонах. Из-за высокой загруженности диапазона 900 МГц, получить разрешение Госкомитета по радиочастотам на работу в этом диапазоне чрезвычайно трудно, поэтому российским пользователям БЛВС целесообразно ориентироваться на оборудование, работающее на частотах 2.4 ГГц и 5.8 ГГц.

Современная позиция российских государственных органов
Отражением интереса, проявляемого государственными органами к развитию Интернет в России, явилось недавнее (от 28.04.98) Постановление Коллегии Госкомсвязи России N 10-1 "Об основных принципах развития услуг Интернет в России". Среди прочего, в Постановлении рассматривалась проблема перегрузки телефонных сетей общего пользования трафиком Интернет. Одним из альтернативных решений, способствующих снятию нагрузки с телефонных сетей, был признан радиодоступ.

7 июля 1998 года московская фирма CompTek сообщила о принятии Решения Государственного Комитета по радиочастотам (ГКРЧ) "Об условиях использования радиочастот в диапазоне 2400-2483,5 МГц".

Продолжение следует

КОМПЬЮТЕР ИНФОРМ