По мере того как электронные информационные системы затрагивают все большие аспекты деятельности человека, необходимость привязываться к этим системам проводами в ряде случаев значительно ограничивает сферу их применения.
Беспроводная связь становится необходимой в следующих случаях:
требуется мобильная связь;
необходимо установить связь в местности, где прокладка кабеля сложна или совсем невозможна;
коммуникационные системы требуют оперативной установки;
требуются минимальные затраты на установку коммуникационной системы;
требуются широковещательная рассылка одной и той же информации большому количеству получателей;
имеется интенсивное развитие беспроводных средств связи (сотовая, спутниковая и т.п.) и массовое внедрение ее среди широкого круга потребителей, в частности мобильной телефонии, которая явилась предпосылкой использования их в системах передачи данных и вычислительных сетях.
Справедливости ради необходимо отметить, что по сравнению с проводной связью беспроводная, на ряду с очевидными преимуществами, обладает и определенными недостатками:
беспроводная связь функционирует не в столь контролируемой среде, как проводная и по этому она в большей степени подвержена потерям сигнала, шумам и подслушиванию;
скорость передачи данных в беспроводных системах меньше, чем в проводных;
в случае с проводной связью значительно проще многократно использовать несущие частоты, чем в случае беспроводной.
Однако преимущества беспроводной связи в большинстве случаев значительно превышают ее ограничения, на что указывает практика ее внедрения в системах передачи данных, включая вычислительные сети.
Можно выделить две категории беспроводных сетей – беспроводные локальные вычислительные сети (ЛВС) и беспроводные глобальные вычислительные сети (ГВС). Они существенно различаются как по функциональным возможностям, так и по используемым программно-техническим средствам. Хотя основная часть данной главы будет посвящена беспроводным ГВС, для полноты картины, необходимо, немного остановиться и на ЛВС.
В беспроводных ЛВС используется два типа средств связи. Большая часть этих сетей использует радиосвязь (в различном, но достаточно ограниченном диапазоне частот). Однако свою экологическую нишу имеют и сети, использующие для передачи информации инфракрасное излучение. Этот вид связи в ряде случаев имеет определенные преимущества перед радиосвязью. Такие каналы имеют высокую пропускную способность, обеспечивают высокую степень защиты информации, позволяют избежать сложностей, связанных с защитой организма человека от нежелательного воздействия радиоволн, к тому же организация и технические средства такой связи имеют невысокую стоимость. Однако ограниченный радиус действия (примерно 24,5 м), низкая надежность и неспособность проникать сквозь непрозрачные объекты ограничивают применение этого вида связи.
Значительно большее распространение в ЛВС получили средства радиосвязи. Радиус действия аппаратуры, используемой в этих сетях и выпускаемой различными фирмами, изменяется от 25 до 30000 м. Различия в радиусе действия связаны с совершенно различными техническими решениями, ориентированными на различные структуры ЛВС. Возможны две схемы организации радиосвязи в таких сетях – двухточечная (point-to-point), предназначенная для связи на значительные расстояния между удаленными группами локальных сетей, и многоточечная схема (point-to-multipoint) для организации различных протоколов локальных сетей (Ethernet, Token Ring).
Одной из фирм (отнюдь, не единственной), занимающейся производством средств для локальных компьютерных радиосетей, является всемирно известная Motorola. Она предлагает различные продукты отличающиеся дальностью взаимодействия. Они предназначаются как для передачи данных внутри здания (point-to-multipoint), так и между зданиями в зоне прямой видимости на частоте 18 ГГц (point-to-point). При этом для поддержки устойчивой радиосвязи, используется принцип сотовой телефонии, основанный на использовании ретрансляторов. Радиус действия двухточечной связи доходит до 2,1 км. Наиболее продвинутые продукты, присутствующие на рынке беспроводных сетей, до последнего времени принадлежали компании Windata.
Когда беспроводные сети только появились, возникла некоторая эйфория – казалось, что они смогут заменить кабельные сети во всех случаях жизни. Вскоре выяснилось, что это совсем не так, поскольку они (на начальном этапе своего развития) были существенно дороже и медленнее кабельных, и это направление ЛВС чуть было не потерпело фиаско. Потом пришло понимание, что радиосвязь и кабельная сеть вполне могут сосуществовать, у них есть свои независимые экологические ниши.
Однако значительно большее влияние оказали беспроводные средства связи на развитие ГВС, являясь важной составной частью этих сетей. В связи с этим в дальнейшем рассматриваются различные аспекты беспроводной связи применительно к такого рода вычислительным сетям.
Передача данных в беспроводных средах достигается с помощью антенн: работая на передачу, антенна излучает электромагнитную энергию в среду распространения. При приеме антенна получает электромагнитную энергию из окружающей среды.
Тип среды распространение радиоволн определяет тип приемо-передающих устройств и технические характеристики радиолиний. Можно выделить две основные среды, используемые в радиолиниях – атмосфера Земли и космическое пространство. Атмосфера Земли, с точки зрения передачи электромагнитных волн, также неоднородна. С определенной степенью условности она разделяется на три слоя: тропосферу с высотой слоя 10 – 12 км, стратосферу от 10 до 50 км и ионосферу от 50 до 400 км. Около 80 % массы атмосферы сосредоточено в тропосфере и около 20 % в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.
Для передачи во всех перечисленных средах используются электромагнитные волны в очень широком диапазоне частот (длин волн). В соответствии с классификацией, установленной международным регламентом связи, выделяются следующие диапазоны:
сверхдлинные (мириаметровые) или очень низкие частоты (ОНЧ) – 10 – 100 км, 3 – 30 кГц;
длинные (километровые) или низкие частоты (НЧ) – 1 – 10 км, 30 – 300 кГц;
средние (гектометровые) или средние частоты (СЧ) – 100 – 1000 м, 300 – 3000 кГц;
короткие (декаметровые) или высокие частоты (ВЧ) – 10 – 100 м, 3 – 30 МГц;
ультракороткие (метровые) или очень высокие частоты (ОВЧ) – 1 – 10 м, 30 – 300 МГц;
дециметровые или ультравысокие частоты (УВЧ) – 10 – 100 см, 300 – 3000 МГц;
сантиметровые или сверхвысокие частоты (СВЧ) – 1 – 10 см, 3 – 30 ГГц;
миллиметровые или крайне высокие частоты (КВЧ) – 1 – 10 мм, 30 – 300 ГГц;
децимиллиметровые или гипервысокие частоты (ГВЧ) – 0,1 – 1 мм, 300 – 3000 ГГц.
Иногда диапазон 30 МГц – 1 ГГц называют радиодиапазоном, а частоты в диапазоне от 2 до 40 ГГц (1 ГГц = 109 Гц) называют микроволновым диапазоном.
Если в проводных системах передачи сигнал распространяется строго в направлении прокладки кабеля, то в беспроводных системах ситуация значительно отличается.
Различают два типа беспроводной связи: однонаправленную и всенаправленную. В однонаправленных системах сигнал распространяется в одном направлении, передающая система излучает однонаправленный электромагнитный луч. В связи с этим приемник и передающая система должны находиться строго на одной прямой. При всенаправленной передаче сигнал распространяется во всех направлениях, его можно принять любыми системами. В общем случае с ростом частоты сигнала его легче сфокусировать в однонаправленный луч.
Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На значение напряженности поля в точке приема оказывает влияние множества факторов. Основные у них следующие:
отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;
преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);
рассеивание на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосферы);
дифракция сферической выпуклости Земли.
Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от длины волны и освещенности земной атмосферы Солнцем и других факторов.
Как и в любой другой системе передачи, основным источником потерь в беспроводных системах является затухание. Однако потери, к примеру, в микроволновых беспроводных системах меньше, чем при передаче по витой паре и коаксиальному кабелю (при этих же частотах). Это позволяет увеличить расстояние между усилителями или повторителями, обычно расстояние для этого диапазона длин волн составляет 10 – 100 км. Правда, затухание возрастает во время дождя. Влияние дождя заметно при частотах выше 10 ГГц. Другой источник нарушений – помехи. С ростом каналов передачи возникает перекрытие зон передачи. В этом случае есть опасность помех, поэтому распределение частотных диапазонов должно строго контролироваться.