Безпровідні середовища передачі даних

Термін бездротовий (безпровідний) використовується до будь-якого виду зв’язку, що забезпечується без використання дротів. Словосполучення «безпровідне середовище» може ввести в оману, оскільки означає повну відсутність дротів у мережі. У більшості випадків це не зовсім так. Звичайно бездротові компоненти взаємодіють з мережею, у якій як середовище передачі використовується кабель. Така мережа із змішаними компонентами називається гібридною.

Останніми роками напрям бездротових комп'ютерних мереж та віддаленого доступу зазнав бурхливого розвитку. Це пов'язано з поширенням планшетів та розширенням функцій стільникових телефонів. Девізом цих систем стало anytime, anywhere, тобто надання послуг зв'язку незалежно від місця та часу. Донедавна більшість бездротових комп'ютерних мереж передавала дані зі швидкістю від 1,2 до 14,0 Кбіт/с, найчастіше тільки короткі повідомлення (передавання файлів великих розмірів чи довгі сеанси інтерактивної роботи були недоступні). Сучасні ж технології бездротової передачі оперують зі швидкостями в декілька десятків мегабіт за секунду.

Ідея бездротового середовища дуже приваблива, оскільки її компоненти:

• забезпечують часове підключення до кабельної мережі;

• допомагають організувати резервне копіювання в кабельну мережу;

• гарантують певний рівень мобільності;

• дозволяють зняти обмеження на максимальну протяжність мережі, що накладаються мідними або навіть оптоволоконними кабелями.

Бездротові локальні мережі використовують наступні способи передачі даних:

• інфрачервоне випромінювання;

• лазер;

• радіопередачу у вузькому діапазоні (одночастотна передача);

• радіопередачу у розсіяному спектрі.

На даний час існує дуже багато безпровідних технологій, найчастіше відомих користувачам за їх маркетинговими назвами, такими як Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Кожна технологія має певні характеристики, які визначають її область застосування.

1. Радіозв'язок

Радіоканал використовує передачу інформації за допомогою радіохвиль, тому теоретично він може забезпечити зв'язок на багато десятків, сотні й навіть тисячу кілометрів. Швидкість передачі досягає десятків Мбіт у секунду (тут багато чого залежить від обраної довжини хвилі й способу кодування).

Особливість радіоканалу полягає в тому, що сигнал вільно випромінюється в ефір, тому виникають проблеми сумісності з іншими джерелами радіохвиль (радіо- і телестанціями, радарами, радіоаматорськими й професійними передавачами і т.д.). У радіоканалі використовується передача у вузькому діапазоні частот і модуляція інформаційним сигналом сигналу несучої частоти.

Головним недоліком радіоканалу є його поганий захист від прослуховування, тому що радіохвилі поширюються неконтрольовано. Інший великий недолік радіоканалу – слабка перешкодозахищеність.

Для локальних бездротових мереж (WLAN – Wireless LAN) застосовуються підключення по радіоканалу на невеликих відстанях (звичайно до 100 метрів) і в межах прямої видимості. Найчастіше використовуються два частотних діапазони – 2,4 ГГц і 5 ГГц. Швидкість передачі – до 54 Мбіт/с.

Мережі WLAN дозволяють встановлювати бездротові мережні з'єднання на обмеженій території (звичайно всередині будинку або в таких громадських місцях, як аеропорти), де прокладка кабелів неможлива, а також як доповнення до наявної провідної локальної мережі.

Популярна технологія Wi-Fi (Wireless Fidelity) дозволяє організувати зв'язок між комп'ютерами числом від 2 до 15 за допомогою концентратора (точки доступу, Access Point). Крім того, ця технологія дає можливість зв'язати дві локальні мережі на відстані до 25 кілометрів за допомогою потужних бездротових мостів.

Радіоканал широко застосовується в глобальних мережах як для наземного, так і для супутникового зв'язку. Технології радіозв'язку пересилають дані на радіочастотах і практично не мають обмежень на дальність. Використовується для з'єднання локальних мереж на великих географічних відстанях.

Недоліки:

1. радіопередача має високу вартість;

2. підлягає державному регулюванню;

3. украй чутлива до електронного або атмосферного впливу;

4. схильна до перехоплення, тому вимагає шифрування.

1.1 Технологія Wi-Fi

Wi-Fi – торгова марка Wi-Fi Alliance для безпровідних комп'ютерних мереж на базі стандарту IEEE 802.11. Під абревіатурою Wi-Fi на даний час розвивається ціле сімейство стандартів передачі цифрових потоків даних по радіоканалах.

Будь-яке обладнання, що відповідає стандарту IEEE 802.11, може бути протестовано в Wi-Fi Alliance і отримати відповідний сертифікат і право нанесення логотипу Wi-Fi.

Зазвичай схема Wi-Fi мережі містить не менше однієї точки доступу і не менше одного клієнта. Також можливе підключення двох клієнтів в режимі точка-точка (Ad-hoc), коли точка доступу не використовується, а клієнти з'єднуються за допомогою мережевих адаптерів «безпосередньо». Точка доступу передає свій ідентифікатор мережі (SSID) за допомогою спеціальних сигнальних пакетів на швидкості 0,1 Мбіт/с кожні 100 мс. Тому 0,1 Мбіт/с – найменша швидкість передачі даних для Wi-Fi. Знаючи SSID мережі, клієнт може з'ясувати, чи можливе підключення до даної точки доступу. При попаданні в зону дії двох точок доступу з ідентичними SSID приймач може вибирати між ними на підставі даних про рівень сигналу. Стандарт Wi-Fi дає клієнтові повну свободу при виборі критеріїв для з'єднання.

IEEE 802.11 – набір стандартів зв'язку для комунікації через безпровідній локальній мережевій зоні частотних діапазонів 0,9; 2,4; 3,6; 5 і 60 ГГц.

На даний час найбільного поширення досяг стандарт IEEE 802.11n, який був затверджений в 2009 році. Стандарт 802.11n підвищує швидкість передачі даних практично вчетверо в порівнянні з пристроями стандартів 802.11g (максимальна швидкість яких дорівнює 54 Мбіт/с), за умови використання в режимі 802.11n з іншими пристроями 802.11n. Теоретично 802.11n здатний забезпечити швидкість передачі даних до 600 Мбіт/с, використовуючи передачу даних одразу за допомогою чотирьох антен. З однією антеною – до 150 Мбіт/с.

Пристрої 802.11n працюють в діапазонах 2,4 або 5,0 ГГц.

IEEE 802.11ac – це новий стандарт сімейства 802.11 для мереж Wi-Fi на частотах 5-6 ГГц. Пристрої, які працюють за цим стандартом, забезпечують швидкість передачі даних більше 1 Гбіт/с. За версією компанії Broadcom, даний стандарт відноситься до мереж нового покоління 5.5G. Прийняття 802.11ac як стандарту відбулося в січні 2014 року. 

1.2 Технологія WiMAX

WiMAX – телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального бездротового зв'язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від робочих станцій і портативних комп'ютерів до мобільних телефонів). Заснована на стандарті IEEE 802.16, який також називають Wireless MAN.

Розробники стандарту шукали оптимальні рішення як для фіксованого, так і для мобільного застосування, але поєднати всі вимоги в рамках одного стандарту не вдалося. Хоча ряд базових вимог збігається, націленість технологій на різні ринкові ніші привела до створення двох окремих версій стандарту. Кожна із специфікацій WiMAX визначає свої робочі діапазони частот, пропускну здатність, потужність випромінювання, методи передачі і доступу, способи кодування і модуляції сигналу, принципи повторного використання радіочастот та інші показники. А тому WiMAX-системи, засновані на версіях стандарту IEEE 802.16 e і d, практично несумісні.

802.16d (фіксований WiMAX). Специфікація затверджена в 2004 році. Підтримується фіксований доступ в зонах з наявністю або відсутністю прямої видимості. Користувальницькі пристрої являють собою стаціонарні модеми. У більшості країн під цю технологію відведені діапазони 3,5 і 5 ГГц.

802.16e (мобільний WiMAX). Специфікація затверджена в 2005 році. Це – новий виток розвитку технології фіксованого доступу. Оптимізована для підтримки мобільних користувачів. Планові частотні діапазони для мереж Mobile WiMAX такі: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. У світі реалізовані кілька пілотних проектів.

Основна відмінність двох технологій полягає в тому, що фіксований WiMAX дозволяє обслуговувати тільки «статичних» абонентів, а мобільний орієнтований на роботу з користувачами, що пересуваються зі швидкістю до 150 км/год.

У загальному вигляді WiMAX мережі складаються з наступних основних частин: базових і абонентських станцій, а також обладнання, що зв'язує базові станції між собою, з постачальником сервісів та з Інтернетом.

Структура мереж сімейства стандартів IEEE 802.16 має схожість з традиційними GSM мережами (базові станції діють на відстанях до десятків кілометрів, для їх встановлення не обов'язково будувати вежі – допускається встановлення на дахах будинків при дотриманні умови прямої видимості між станціями).

У жовтні 2010 року було затверджено стандарт IEEE 802.16m, відомий як WiMAX 2. Він дозволяє підвищити пропускну спроможність безпровідних мереж в кілька разів. Так, стаціонарне обладнання в мережах нового покоління може приймати дані на швидкості до 1 Гбіт/с, а мобільні пристрої та портативні комп'ютери - до 100 Мбіт/с. При цьому збережеться зворотна сумісність з існуючим устаткуванням WiMAX. 

2. Інфрачервоний зв’язок

InfraRed Data Association – IrDA, ІК-порт, інфрачервоний порт – група стандартів, що описує протоколи фізичного і логічного рівня передачі даних з використанням інфрачервоного діапазону світлових хвиль в якості середовища передачі. Є різновидом оптичної лінії зв'язку ближнього радіусу дії.

Була популярна в кінці 1990-х початку 2000-х років. На даний час практично витіснена більш сучасними аналогами, такими як WiFi і Bluetooth.

Основні причини відмови від IrDA були:

• ускладнення складання корпусів пристроїв, в яких монтувалось ІК-прозоре вікно;

• обмежена дальність дії і вимоги прямої видимості пари приймач-передавач;

• відносно низька швидкість передачі даних перших реалізацій стандарту. У наступних ревізіях стандарту цей недолік виправили: швидкісні можливості трохи перевищують, наприклад, можливості найпоширенішою на сьогоднішній момент версії протоколу Bluetooth (специфікація 4.0). Однак широкого поширення швидкісні варіанти IrDA отримати вже не встигли.

Апаратна реалізація, як правило, являє собою пару з випромінювача, у вигляді інфрачервоного світлодіода, і приймача, у вигляді фотодіода розташованих на кожній зі сторін лінії зв'язку. Наявність і передавача і приймача на кожній зі сторін є необхідною умовою для використання протоколів двосторонньої передачі даних.

Головна перевага інфрачервоного каналу у порівнянні з радіоканалом – нечутливість до електромагнітних перешкод, що дозволяє застосовувати його, наприклад, у виробничих умовах, де завжди багато перешкод від силового устаткування. Правда, у цьому випадку потрібна досить висока потужність передачі, щоб не впливали інші джерела теплового (інфрачервоного) випромінювання. Погано працює інфрачервоний зв'язок і в умовах сильної запиленості повітря.

Швидкість передачі інформації інфрачервоного каналу звичайно не перевищує 5-10 Мбіт/с, але при використанні інфрачервоних лазерів може бути досягнута швидкість більше 100 Мбіт/с. Конфіденційність інформації, як і у випадку радіоканалу, не досягається, також потрібні порівняно дорогі приймачі й передавачі. Все це приводить до того, що застосовують інфрачервоні канали в локальних мережах досить рідко. В основному вони використовуються для зв'язку комп'ютерів з периферією (інтерфейс IrDA).

Інфрачервоні канали діляться на дві групи:

1. Канали прямої видимості, у яких зв'язок здійснюється на променях, що йдуть безпосередньо від передавача до приймача. При цьому зв'язок можливий тільки при відсутності перешкод між комп'ютерами мережі. Зате довжина каналу прямої видимості може досягати декількох кілометрів.

2. Канали на розсіяному випромінюванні, які працюють на сигналах, відбитих від стін, стелі, підлоги й інших перешкод. Перешкоди в цьому випадку не так суттєві, але зв'язок може здійснюватися тільки в межах одного приміщення.

Обмеження: передавач і приймач мають бути в зоні прямої видимості один одного.

3. Технологія NFC

Near field communication, NFC – технологія бездротової передачі даних малого радіусу дії, яка дає можливість обміну даними між пристроями, що знаходяться на відстані близько 15 сантиметрів; анонсована в 2004 р. Ця технологія – розширення стандарту безконтактних карт (ISO 14443), який об'єднує інтерфейс смарт-карти і зчитувача в єдиний пристрій.

Пристрій NFC вже використовується в громадському транспорті і платіжних системах. NFC націлена перш за все на використання в цифрових мобільних пристроях.

NFC – це безпровідна короткодистанційна технологія, яка працює на відстані не більше 20 сантиметрів. NFC працює на частоті 13,56 МГц. NFC завжди включає ініціатор і ціль; ініціатор активно генерує радіочастотне поле, яке може впливати на пасивну ціль. Також можливий NFC-зв'язок між двома пристроями за умови, що обидва пристрої увімкнено.

Завдяки компактним розмірам і низькому споживанню енергії NFC можна використовувати в невеликих пристроях. У смартфонах антена часто кріпиться на задній стороні гаджета, під кришкою. NFC зв'язок підтримується за допомогою індукції магнітного поля, де дві рамкові антени розташовуються в межах ближнього поля один одного, ефективно формуючи трансформатор з повітряним сердечником.

Підтримувана швидкість передачі даних: 85, 170, або 340 Кбіт/с.

Існують два режими:

• пасивний режим зв'язку: пристрій-ініціатор забезпечує несуче поле, а цільовий пристрій відповідає за допомогою модулювання наявного поля;

• активний режим зв'язку: і ініціатор, і цільовий пристрій взаємодіють шляхом почергового створення своїх власних полів. Пристрій дезактивує своє радіочастотне поле в той час, коли він очікує даних. У цьому режимі в обох пристроях повинно бути електроживлення.

Пристрої NFC в змозі одночасно і отримувати, і передавати дані. Таким чином, вони можуть контролювати радіочастотне поле і виявляти протиріччя, якщо отриманий сигнал не відповідає переданому.

4. Технологія Bluetooth

Bluetooth – специфікація безпровідних персональних мереж. Bluetooth забезпечує обмін інформацією між такими пристроями, як персональні комп'ютери, мобільні телефони, принтери, цифрові фотоапарати, мишки, клавіатури, джойстики, навушники, гарнітури на надійній, безкоштовній, повсюдно доступній радіочастоті для ближнього зв'язку.

Специфікація Bluetooth була розроблена групою Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), яка була заснована в 1998 році. До неї увійшли компанії Ericsson, IBM, Intel, Toshiba і Nokia.

Принцип дії заснований на використанні радіохвиль. Радіозв'язок Bluetooth здійснюється в ISM-діапазоні, який використовується в побутових приладах і безпровідних мережах (діапазон 2,4-2,4835 ГГц). У Bluetooth застосовується метод розширення спектра зі стрибкоподібною перебудовою частоти (FHSS). Метод FHSS простий в реалізації, забезпечує стійкість до широкосмугових перешкод, а обладнання недороге.

Відповідно до алгоритму FHSS, в Bluetooth несуча частота сигналу змінюється 1600 разів в секунду. Таким чином, якщо поруч працюють кілька пар приймач-передавач, то вони не заважають один одному. Цей алгоритм є також складовою частиною системи захисту конфіденційності інформації: перехід відбувається по псевдовипадковому алгоритму і визначається окремо для кожного з'єднання.

Протокол Bluetooth підтримує не тільки з'єднання «точка-точка», а й з'єднання «точка-мультиточка».

Bluetooth SIG затвердила специфікацію Bluetooth 4.0 30 червня 2010 року. Протокол Bluetooth з низьким енергоспоживанням призначений, перш за все, для мініатюрних електронних датчиків (використовуються в спортивному взутті, тренажерах, мініатюрних сенсорах, що розміщуються на тілі пацієнтів і т.д.). Низький рівень споживання енергії досягається за рахунок використання особливого алгоритму роботи. Передавач включається тільки на час відправки даних, що забезпечує можливість роботи від однієї батарейки типу CR2032 протягом декількох років. Стандарт надає швидкість передачі даних в 1 Мбіт/с при розмірі пакета даних 8-27 байт.

16-17 червня 2016 року Bluetooth SIG представила специфікацію Bluetooth 5.0. Зміни торкнулися в основному режиму з низьким споживанням і швидкісного режиму. Радіус дії збільшений в 4 рази, швидкість збільшена в 2 рази.

Порівняльна характеристика безпровідних середовищ передачі даних

Питання для перевірки:

1. Яким чином класифікують безпровідні мережі?

2. Опишіть принцип передачі даних через інфрачервоні канали.

3. Назвіть сфери застосування такої передачі даних.

4. Опишіть принцип передачі даних за допомогою сигналів з широкосмуговим спектром.

5. Назвіть сферу застосування передачі даних з широкосмуговим спектром.

6. Опишіть принцип функціонування супутникової передачі даних.

7. Які топології безпровідних мереж ви знаєте?

8. Назвіть недоліки та переваги застосування безпровідних технологій передачі даних.

1. Воробієнко П.П. Телекомунікаційні та інформаційні мережі [Навчальний посібник] / П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко – К.: Самміт-книга, 2010. – 708 с. (електронний варіант, формат pdf)

2. Городецька О.С. Комп’ютерні мережі: навчальний посібник / О.С. Городецька, В.А. Гикавий, О.В. Онищук. – Вінниця : ВНПУ, 2017. – 129 с.

3. Тарнавський Ю.А. Організація комп’ютерних мереж [Електронний ресурс]/  Ю.А. Тарнавський, І.М. Кузьменко – К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – 259 с. (електронний варіант, формат pdf)

4. Микитишин А.Г. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / А.Г. Микитишин, М.М. Митник, П.Д. Стухляк, В.В. Пасічник – Львів.: «Магнолія 2006», 2013. – 256 с. (електронний варіант, формат pdf)

5. Азаров О.Д. Комп’ютерні мережі [Навчальний посібник] / О.Д. Азаров, С.М. Захарченко, О.В. Кадук, М.М. Орлова –Вінниця: ВНТУ, 2013. – 371 с.