Галина Большова

Беспроводная связь, или связь по радиоканалу, сегодня используется и для построения магистралей (радиорелейные линии), и для создания локальных сетей, и для подключения удаленных абонентов к сетям и магистралям разного типа. Весьма динамично развивается в последние годы стандарт беспроводной связи Radio Ethernet. Изначально он предназначался для построения локальных беспроводных сетей, но сегодня все активнее используется для подключения удаленных абонентов к магистралям. С его помощью решается проблема "последней мили" (правда, в отдельных случаях эта "миля" может составлять от 100 м до 25 км). Radio Ethernet сейчас обеспечивает пропускную способность до 54 Мбит/с и позволяет создавать защищенные беспроводные каналы для передачи мультимедийной информации.

Данная технология соответствует стандарту 802.11, разработанному Международным институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) в 1997 году и описывающему протоколы, которые позволяют организовать локальные беспроводные сети (Wireless Local Aria Network, WLAN).

Один из главных конкурентов 802.11 - стандарт HiperLAN2 (High Performance Radio LAN), разрабатываемый при поддержке компаний Nokia и Ericsson. Следует заметить, что разработка HiperLAN2 ведется с учетом обеспечения совместимости данного оборудования с системами, построенными на базе 802.11а. И этот факт наглядно демонстрирует популярность средств беспроводного доступа на основе Radio Ethernet, растущую по мере увеличения числа пользователей ноутбуков и прочих портативных вычислительных средств.

Технические подробности

Стандарт Radio Ethernet предусматривает организацию беспроводной связи на ограниченной территории с предоставлением нескольким абонентам равноправного доступа к общему радиоканалу. Канал может быть реализован либо на базе передачи сигнала в инфракрасном спектре, либо путем формирования широкополосного радиосигнала с использованием прямого расширения спектра (DSSS) или скачкообразной перестройки частоты (FHSS). Оборудование, использующее инфракрасное излучение, может применяться только в условиях прямой видимости, а характеристики этих устройств весьма сильно зависят от погодных условий. Поэтому данный вариант применим в основном для установки связи внутри помещений. Две другие технологии, DSSS и FHSS, ориентированы на работу в двух диапазонах - 915 МГц и 2,4 ГГц. Известно, насколько загружен диапазон 900 МГц другими средствами связи, а потому устройства, рассчитанные на применение в этом диапазоне, рекомендовано устанавливать внутри помещений. Оборудование же, работающее в области частот 2,4 ГГц, можно применять как внутри, так и вне зданий. Здесь уместно заметить, что применение для беспроводных внутриофисных систем диапазона 2,4 ГГц нигде, кроме России, не требует получения никаких разрешительных документов. В нашей же стране необходимо разрешение Госсвязьнадзора.

Каждый из двух определенных стандартом Radio Ethernet методов широкополосной передачи имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достичь большей по сравнению с FHSS пропускной способности (2 Мбит/с на один канал и 6 Мбит/с - на три), обеспечивает более высокую устойчивость к узкополосным помехам и большую дальность связи. Однако технология DSSS требует более сложного и дорогого оборудования, чем FHSS. Поэтому нет ничего удивительного в том, что FHSS-устройства (более простые и дешевые) выпускают гораздо больше компаний. Еще одно достоинство FHSS-устройств (в отличие от DSSS) - способность сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех. Правда, часто они сами создают помехи обычным узкополосным устройствам, но это помехи с низкой спектральной плотностью. Radio Ethernet, как и обычный кабельный стандарт Ethernet, использует "коллизионный" метод доступа к общему каналу, однако в нем предусмотрена фаза предварительного резервирования канала, коллизии допустимы только при резервировании, а собственно передача происходит без коллизий. Основной механизм доступа к среде для Radio Ethernet - многостанционный доступ с обнаружением несущей и предотвращением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA).

Базовый стандарт 802.11 определяет основные протоколы организации WLAN, в частности, для управления доступом к среде MAC (Medium Access Control) и для передачи сигналов в физической среде (протокол PHY - Physical layer protocol). Он ориентирован на работу в диапазоне частот 2,4 ГГц.

Данные спецификации обеспечивают управление доступом на единственном подуровне MAC, который взаимодействует с тремя типами протоколов физического уровня, соответствующим трем технологиям передачи сигналов (инфракрасное излучение, с помощью прямого расширения спектра и с использованием скачкообразной перестройки частоты). Передача данных возможна на скоростях 1 и 2 Мбит/с.

В стандарте 802.11 определена сотовая архитектура системы. Каждая сота управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point, AP), которая обслуживает рабочие станции пользователей в пределах своего радиуса действия, образуя базовую зону обслуживания (Basic Service Set, BSS). Точки доступа многосотовой сети взаимодействуют между собой через распределительную систему (Distribution System, DS). Инфраструктура, включающая AP и DS, образует расширенную зону обслуживания (Extended Service Set, ESS). Стандарт предусматривает построение односотовой сети даже без точки доступа, отдельные функции которой выполняются в этом случае рабочими станциями. Оборудование, ориентированное на диапазон частот 2,4 ГГц, способно обеспечить связь на расстоянии до 300 м. Допускаются любые варианты топологии сети: точка - точка, звезда, точка - много точек, каждый с каждым.

Мобильность рабочих станций достигается за счет использования специальных процедур сканирования радиоканала и присоединения абонентов. Тем не менее в стандарте 802.11 не определены спецификации для реализации роуминга.

Стандарт 802.11 предусматривает защиту информации в беспроводной сети с помощью мер, которые обеспечивают безопасность "на уровне, характерном для проводных сетей" (Wired Equivalent Privacy, WEP). Эти меры включают механизмы и процедуры аутентификации и шифрования.

Наиболее "широкополосный" стандарт из семейства Radio Ethernet - это 802.11a, последняя редакция которого была утверждена в 1999 году. Предельная для него скорость передачи данных - 54 Mбит/с (в спецификациях определены три обязательные скорости - 6, 12 и 24 Mбит/с, а также пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54 Mбит/с). Данный стандарт предусматривает работу в диапазоне 5 ГГц, в качестве метода модуляции используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), позволяющее снизить до минимума межсимвольные искажения в радиоканале. Применение OFDM дает возможность передавать полезные сигналы параллельно на нескольких частотах диапазона, что существенно повышает пропускную способность канала. Для оборудования, использующего диапазон частот 5 ГГц, характерна более высокая (чем для области 2,4 ГГц) потребляемая мощность передатчиков и меньший радиус действия - около 100 м.

Стандарт 802.11b (его окончательная редакция, принятая в 1999 году, известна как Wi-Fi - Wireless Fidelity) ориентирован на радиочастотный диапазон 2,4 ГГц и по пропускной способности - до 11 Мбит/с - практически соответствует проводному Ethernet-каналу. Базовая радиотехнология Wi-Fi - прямое расширение сигнала с помощью восьмиразрядных последовательностей Уолша. Стандарт предусматривает автоматическое понижение скорости передачи информации при ухудшении качества сигнала. Четкие механизмы роуминга в нем также не определены.

Стандарт 802.11d в настоящее время находится в стадии разработки. Тем не менее уже сейчас можно сказать, что его спецификации будут включать универсальные процедуры физического уровня (формирования каналов, генерации псевдослучайных последовательностей частот, использования дополнительных параметров для информационной базы управления).

Предварительный вариант стандарта 802.11e, утвержденного в конце 2001 года, обеспечивает полную совместимость устройств, базирующихся на данном стандарте и стандартах 802.11а и b. Спецификации 802.11e создавались для поддержки мультисервисных WLAN, а следовательно, в них заложена более высокая (чем в версиях 802.11а и b) функциональность, обеспечивающая потоковую передачу мультимедиа-данных с гарантированным качеством обслуживания (QoS).

Стандарт 802.11f, нацеленный на построение распределенных беспроводных сетей передачи данных, еще не утвержден. Более того, он пока содержит лишь спецификации, описывающие протокол обмена служебной информацией между точками доступа (Inter-Access Point Protocol, IAPP). Однако очевидно, что в дальнейшем потребуется также разработка дополнительных механизмов распределения ресурсов AP.

Помимо перечисленных стандартов серии 802.11 рабочая группа IEEE по Radio Ethernet разрабатывает также отдельные спецификации, дополняющие некоторые из стандартов серии 802.11 или используемые в данной технологии общие механизмы передачи сигнала.

Так, спецификации 802.11g расширяют возможности стандарта 802.11b путем применения более эффективного по сравнению с DSSS метода модуляции OFDM. Предполагается, что они будут гарантировать обратную совместимость с оборудованием, построенным на базе 802.11b. Хотя окончательное принятие 802.11g ожидается не ранее конца 2002 года, основная часть этих спецификаций уже одобрена IEEE.

В задачи рабочей группы, занимающейся спецификациями 802.11h, входит дополнение уровней МАС и PHY алгоритмами оптимального выбора частот, разработка средств управления использованием спектра и контроля излучаемой мощности. Предполагается, что их решение будет базироваться на протоколах DFS (Dynamic Frequency Selection) и TCP (Transmit Power Control), созданных ETSI. Процедура динамической регулировки мощности для 802.11h предполагает ее изменение в зависимости от уровня помех с последующим переходом на другой радиоканал в том случае, если повышением мощности не удается обеспечить требуемое отношение сигнал/шум. Дата принятия данных спецификаций не определена.

Отдельную группу составляют спецификации, относящиеся к информационной безопасности. Сегодня проблемами защиты данных в беспроводных сетях стандарта 802.11 занимается самостоятельное подразделение 802.11i совместно с комитетом IEEE 802.1. Новый стандарт получил номер 802.1Х и будет применим не только в беспроводных, но и в проводных сетях, таких как Ethernet и Token Ring.

В основе разрабатываемых спецификаций лежит расширяемый протокол аутентификации (EAP), базирующийся на известном протоколе РРР. Трехсторонняя процедура аутентификации предполагает участие в ней вызываемого и вызывающего абонентов и сервера аутентификации (как правило, это Radius), однако алгоритмы управления ключами пока не определены. Сроки представления стандарта на утверждение также неизвестны.

Конкурирующий с Radio Ethernet стандарт HiperLAN2, ориентированный на работу в диапазоне 5 ГГц, обеспечивает скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В нем прописан тот же, что и для 802.11а, метод модуляции - OFDM, но определен иной способ доступа к среде MAC. Этот способ аналогичен применяемому в технологии ATM. Основное преимущество HiperLAN2 перед Radio Ethernet - поддержка мультимедийного трафика и обеспечение заданного уровня сервиса (QoS).

Дальнейшее развитие широкополосных технологий Radio Ethernet предполагает освоение более высоких и менее загруженных участков спектра, прежде всего диапазона 5 ГГц. Еще в начале 1997 года Федеральная правительственная комиссия США по средствам связи (FCC) разрешила использовать этот диапазон для нелицензированных радиочастотных сетей, выделив в нем два участка общей шириной 300 МГц (5,15-5,35 ГГц и 5,725-5,825 ГГц). Кстати, выделенные диапазоны полностью совпадают с определенными для европейского стандарта HiperLAN2.

 

БЕСЕДА

Ассоциация БЕСЕДА ("БЕспроводные СЕти передачи Данных") объединяет операторов беспроводных сетей и входит в качестве отдельного комитета в Ассоциацию документальной электросвязи (АДЭ) при Министерстве связи РФ. Главная задача Ассоциации БЕСЕДА - создание межрегиональной, а в будущем и всероссийской сети передачи данных, использующей Radio Ethernet в качестве технологии абонентского доступа. Кроме того, члены объединения через свой комитет в АДЭ активно участвуют в разработке единой политики в области беспроводных сетей передачи данных, их технологического развития, стратегии маркетинга услуг, создании правил межсетевого взаимодействия и т. д.

Оборудование и производители

Некоторое время законодателями мод на рынке беспроводной радиосвязи были две компании. Устройства, использующие технологию DSSS, выпускали в основном Lucent Technologies (WaveLAN, WavePOINT) и Aironet (ARLAN). Обе они производили наборы устройств, включающие различные электронные блоки и антенны разных видов для обеспечения связи типа точка- точка, звезда (точка - много точек) и каждый с каждым. Но время шло, популярность Radio Ethernet росла, а вместе с ней увеличивалось и число производителей оборудования. Сегодня на данном рынке представлены такие компании, как Avaya, Cisco Systems, BreezeCom, Windata, Proxim, CyLink, Intel и т. д. Активизируются и поставщики из Юго-Восточной и Восточной Азии - Compex, D-Link и LG.

 
Fig.1 Точка доступа AP-II производства компании Avaya.

Беспроводные устройства чаще всего представляют собой платы, вставляемые в ПК, или автономные модули, подключаемые к стандартной сети Ethernet. Для связи в беспроводной сети внутри ее зоны покрытия выпускается также карта PCMCIA размером с обычную кредитную карточку. Все эти устройства не требуют специального монтажа. Самый массивный компонент - направленные антенны для наружного использования, способные обеспечивать дальность связи до 25 км; обычно это ажурная параболическая решетка размером 80х40 см. Розничная цена такого устройства в комплекте с антенной составляет 1200-3000 долл. В настоящее время ежегодный объем продаж устройств стандарта Radio Ethernet, например, у компаний Lucent и Cisco, достигает полумиллиона штук.

Fig.2 Сетевые карты RadioEthernet производства LG Electronics.

FHSS-модули для диапазона 2,4 ГГц производят уже упомянутая фирма Aironet, а также компании BreezeCom, Windata и Proxim. Заметим, что Windata выпускает высокоскоростные (10 Мбит/c), но дорогие устройства, совместимые с Ethernet для проводных сетей.

В настоящее время практически все наиболее крупные производители (Lucent, Cisco, Avaya, BreezeCom), кроме адаптеров и точек доступа, выпускают полные комплекты оборудования для беспроводной связи стандарта 802.11, включая антенные устройства, мосты и шлюзы для связи с проводными сетями.

Fig.3 Устройство абонентского доступа USB Client компании Avaya.

Рынок: там и здесь

По данным компании Cahners In-Stat, в первой половине 2001 года на мировом рынке объем продаж оборудования для беспроводной связи превысил аналогичный показатель за весь предшествующий год, в штучном выражении составив на июль 2001 года свыше 3,5 млн изделий. При этом в мире в 2001 году было установлено около 8 млн узлов Ethernet и 4 млн узлов Radio Ethernet. В 2002 году ожидается увеличение этих показателей до 10,9 млн и 7,3 млн узлов соответственно. Аналитики ожидают сохранения тенденции устойчивого роста в ближайшие пять лет.

Следует отметить, что за рубежом Radio Ethernet используется преимущественно в корпоративных сетях, развернутых на ограниченных территориях (склад, супермаркет, завод, госпиталь, кампус). Главная задача таких сетей - обеспечить доступ к централизованной базе данных в условиях "ограниченной мобильности" (т. е. при перемещениях со скоростью пешехода или складского погрузчика). Для связи двух или нескольких отдельных радиосегментов обычно применяются арендованные (у местной телефонной компании) кабельные каналы. Но в целом такая сеть остается частной корпоративной сетью.

В России, да и в странах СНГ рынок беспроводных сетей с самого начала развивался в несколько иных областях экономики. В нашей стране еще не так много и больших оптовых складов с автоматизированным учетом, и крупных супермаркетов, а многие другие потенциальные сферы приложения Radio Ethernet (больницы, университеты) находятся в сложном финансовом положении. Однако у нас есть немало состоятельных предприятий (банки, крупные акционированные производственные предприятия, муниципальные власти и федеральные службы), не удовлетворенных возможностями существующих кабельных сетей. Конечно, инвестировать в строительство собственной полностью автономной корпоративной сети могут только наиболее крупные структуры и федеральные службы. А менее "богатых" клиентов вполне устраивает виртуальная частная сеть, т. е. набор услуг, предоставляемых оператором связи на коммерческой основе.

Многие предприятия ищут способы быстро и надежно объединить свои разбросанные по городу компьютеры и локальные сети в единую корпоративную сеть. Оборудование Radio Ethernet эффективно заменяет телефонный кабель на "последней миле". Небольшая антенна на крыше или в окне обеспечит связь с другой такой же антенной, служащей точкой доступа в сети коммерческого оператора. Оператор способен обеспечить связь между всеми точками доступа (по кабельным или радиоканалам) и точную маршрутизацию данных каждого корпоративного пользователя по сети. При этом каждый из таких пользователей может работать в собственной виртуальной выделенной сети.

В результате российский рынок беспроводных сетей передачи данных, в отличие от западного, формируется в большей мере операторами, чем корпоративными клиентами. Системные интеграторы или операторы закупают оборудование стандарта 802.11, чтобы с его помощью предоставлять услуги беспроводной связи, из которых сегодня наиболее востребованы организация соединений локальных сетей клиента и доступ в Интернет.

Использование технологии Radio Ethernet на уровне индивидуального абонентского доступа дает возможность быстрого выхода в Сеть через радиоканал с пропускной способностью до 2 Мбит/с. И хотя этот канал находится "в совместном пользовании", данная удобная услуга достаточно популярна, поскольку абонент постоянно подключен к сети и его запросы обслуживаются немедленно. Да и телефонная линия остается свободной.

 

Взгляд на российский рынок

В настоящее время в нашей стране эксплуатируется более 1000 систем Radio Ethernet, а развитием сетей этой технологии в 120 с лишним городах занято свыше 230 компаний - производителей радиооборудования, системных интеграторов и операторов. На территории РФ действует около 20 региональных операторов беспроводных сетей (три из них находятся в Москве, остальные - в Екатеринбурге, Тольятти, Тюмени, Сургуте и Краснодаре). Развертываются беспроводные сети в Новосибирске, Самаре, Иркутске, Кургане, Ростове-на-Дону и в других региональных центрах.