Connect! #4: Беспроводные сети

Беспроводные сети - не роскошь
Технический прогресс изменяет наши привычки довольно быстро: то, что вчера казалось роскошью, сегодня стало делом привычным и необходимым. Так, телефон для российских граждан уже предмет первой необходимости. Однако насчет сотовых телефонов, спутниковой связи и прочих беспроводных средств в обществе бытует мнение, что все это излишества, а тот, кто хочет ими пользоваться, пусть платит втридорога. Если применительно к мобильной сотовой телефонии в условиях неудовлетворенности основных потребностей в услугах связи еще можно обсуждать правомерность такого подхода, то подобная постановка вопроса в отношении фиксированных радиосетей является в корне неправильной. В наши дни они решают важнейшую для формирования экономической инфраструктуры проблему - создание ее телекоммуникационной основы. Решают ее в дополнение к кабельным средствам (в городах) или вместо них (в удаленных пунктах), причем быстро, надежно и относительно экономично
Беспроводные технологии превосходят проводные по трем параметрам, которые можно обозначить аббревиатурой СУМ: по срочности, удаленности и мобильности. Даже их краткое рассмотрение позволяет достаточно точно ответить на вопрос о том, зачем и кому нужны беспроводные сети.

Срочность
Данный фактор особенно важен для стран с бурной экономической деятельностью, но сильно отставших в развитии телефонных сетей общего пользования. Это довольно очевидно: надежные коммуникации нужны немедленно, а для прокладки кабельной сети необходимы колоссальные инвестиции и длительное время. Безусловно, оптоволоконный кабель может решить все проблемы фиксированной связи лучше, чем это могут сейчас радиотехнологии. Но это завтра. Более того, кабельную разводку требуется довести до каждой квартиры или учреждения. Когда все это будет сделано, фиксированная радиосвязь, возможно, будет вытеснена из больших городов и останется для обслуживания преимущественно абонентов в удаленных местностях. Возможно...

Удаленность
Преимущество не столько технологического, сколько экономического характера. Оно оказывается решающим при выборе способа подсоединения к сети удаленных абонентов, когда протягивать кабель экономически нецелесообразно. Это могут быть абоненты, либо разбросанные по обширной малонаселенной территории, либо сгруппированные в удаленном или труднодоступном пункте. В первом случае невыгодной оказывается прокладка или подвеска кабелей абонентского доступа, во втором - магистральных кабелей. Этот фактор не имеет специфически российского характера - он в равной мере свойственен для Казахстана с его степями, Канады с ее Северными Территориями, Саудовской Аравии, Бразилии и т. д. Дело тут не в уровне экономического развития страны, а в степени заселенности той или иной местности.

Мобильность
Это наиболее очевидное, но не бесспорное для передачи данных отличительное свойство беспроводных технологий. Оно имеет преимущественно технологический, а не экономический характер. Невозможность подсоединения подвижных абонентов является принципиально непреодолимым ограничением кабельных сетей, которое распространяется на любой вид коммуникаций - как на обычную телефонную и факсимильную связь, так и на передачу данных. Радиотехнологии позволили снять это ограничение, что вызвало бурное развитие мобильных сотовых и транковых сетей, предназначенных в основном для голосовой связи. Но в некоторых ситуациях мобильность требуется и для передачи данных.

Беспроводные технологии на магистральных сетях
Используя разные диапазоны частот, разные виды модуляции сигнала и разные типы антенн, можно организовать в эфире каналы связи как по принципу телефонных сетей (когда у канала есть определенные начало и конец), так и по типу локальной сети (когда к каналу одновременно подключено несколько абонентов). Первый вид радиоканала называют обычно каналом "точка - точка", а второй в зависимости от конфигурации антенн и способа использования - либо "каждый с каждым", либо "точка - многоточка".
Для магистральных сетевых соединений используются, как правило, каналы "точка - точка". Таким способом организуются, в частности, радиорелейные линии. Расстояние между соседними релейными станциями может достигать десятков километров - при скорости передач только на порядок меньше, чем на оптоволокне. На подобных принципах реализована, например, Транссибирская линия связи (ТСЛ) между Самарой и Хабаровском. Причем сделана в весьма краткие сроки.

Беспроводной Ethernet
Говоря о втором способе организации радиоканала, нельзя не упомянуть недавно разработанный и стремительно завоевывающий мировой и российский рынок новый стандарт - Radio-Ethernet. С его помощью можно строить беспроводные локальные сети в пределах одного здания или территории всего предприятия.
При этом обеспечивается "ограниченная мобильность": сотрудник, переходя с портативным компьютером из одной комнаты в другую, имеет возможность отовсюду иметь доступ к сети. Второе применение стандарта Radio-Ethernet решает проблему подсоединения абонентов к большой сети передачи данных. Здесь "миля" последняя может реально выражаться расстоянием от нескольких сот метров до 20 - 30 километров.
Доводить до каждого абонента отдельный радиоканал типа "точка - точка" нецелесообразно, так как высокоскоростной дорого обходится по технологическим причинам, а через низкоскоростной информация передается слишком медленно. Поэтому гораздо эффективнее предоставить один общий высокоскоростной канал типа "точка - многоточка" в распоряжение нескольких абонентов, которые будут использовать его совместно. Причем конфликты за доступ к радиоканалу решаются аналогично тому, как это делается в проводной локальной сети Ethernet.
Недавно Radio-Ethernet был стандартизован Международным комитетом IEEE под номером 802.11 и может теперь считаться технически созревшим и стабильным.

Мировой рынок
По оценкам фирмы Aironet, к концу 1995 г. в мире функционировало около 330 тыс. беспроводных локальных сетей (в основном в США, странах Западной Европы и Юго-Восточной Азии). Ожидается, что к 2000 г. их число достигнет 4 млн. В основном эта технология применяется на территориях различных складов (38%) и в супермаркетах (34%), где она дает возможность кладовщикам и продавцам всегда иметь доступ к централизованной базе данных в условиях ограниченной мобильности (т. е. при перемещениях со скоростью складского погрузчика).
Доля подобных сетей на производстве в 1995 г. составляла 6%, и быстрого их роста не предполагается. Зато стремительно растет применение беспроводных локальных сетей в госпиталях (3% в 1995 г., ожидается 16% к 2000 г.) и в университетах (3% в 1995 г. и 9% к 2000 г.). Запоздалое распространение Radio-Ethernet в этих двух сферах деятельности обусловлено только фактором стоимости оборудования.
Следует отметить, что на Западе Radio-Ethernet используется преимущественно в корпоративных сетях, охватывающих территорию склада, супермаркета, завода, госпиталя, университетского городка. Если имеются две или несколько разбросанных территорий, то строится общая сеть путем соединения отдельных радиосегментов через арендованные (у местной телефонной компании) кабельные каналы. Но в целом она все равно остается частной корпоративной сетью.

Особенности российского рынка
В России (как и в других странах СНГ) сегментация рынка беспроводных сетей несколько иная. Те области деятельности, в которых на Западе наиболее широко применяются беспроводные сети, в России либо еще недостаточно развиты (большие оптовые склады с автоматизированным учетом, супермаркеты), либо испытывают финансовые затруднения (больницы, университеты). Поэтому интерес к таким сетям, с учетом низкой надежности кабельных, проявляют самые разные предприятия, в особенности имеющие несколько отделений, разбросанных по городу. Но только очень крупные банки и федеральные службы могут инвестировать строительство собственной, полностью автономной корпоративной сети. Небольшую же фирму устроила бы виртуальная частная сеть. Таким образом, рынок беспроводных сетей передачи данных в России, в отличие от западного рынка, формируется в большей мере операторами, чем абонентами: именно операторы закупают оборудование Radio-Ethernet, чтобы с его помощью предоставлять услуги беспроводной связи. Наиболее популярны среди этих услуг - объединение локальных сетей абонента и доступ к всемирной сети Internet. Оборудование Radio-Ethernet прекрасно подходит и для эффективного обеспечения "последней мили" вместо абонентского телефонного кабеля: небольшая ШПС-антенна (ШПС - широкополосный или шумоподобный сигнал; см. ниже) на крыше или даже в окне абонента поддерживает связь с другой ШПС-антенной, являющейся точкой доступа в сеть коммерческого оператора. Оператор же организует связь между всеми точками доступа (по кабельным или радиоканалам) и правильную маршрутизацию данных каждого корпоративного пользователя.

Доступ в Internet и к серверам баз данных
С каждым годом абонент привыкает к все более удобной работе с компьютером за счет новых программ - более наглядных, быстрых, эргономичных. Естественно, его требования к работе в Сети увеличиваются в ту же сторону. С Web-серверов он получает информацию в виде графических страниц - в цвете, а иногда даже озвученных и с включением видео. Получить такую информацию по телефонной линии затруднительно, да и требует много времени.
Тут приходит на помощь абоненту оператор сети передачи данных с беспроводным доступом. Технология Radio-Ethernet на уровне абонентского доступа дает возможность удобного выхода в Сеть через радиоканал в 2 Мбит/с, который, хотя его и используют совместно несколько абонентов, дает каждому из них достаточно удобный и независимый доступ. Абонент постоянно подсоединен к сети; запрос на нужную информацию посылается и обслуживается немедленно.

Нет проводов, но есть спектр
А значит, появляются проблемы, связанные с выделением частот и электромагнитной совместимостью. Если говорить о стандарте 802.11, то он предусматривает решения для диапазонов 915 МГц и 2,4 ГГц. Радиоволны имеют одну особенность: чем выше частота волны (и чем короче ее длина), тем меньше по размерам препятствия она способна огибать. Поэтому достаточно серьезной оказывается проблема прямой видимости: на частотах выше 2 ГГц связь строго ограниченна и при наличии препятствий будет прерываться (как свет от фонаря, когда идешь вдоль частокола). На частотах же ниже 2 ГГц требование прямой видимости не так строго: радиоволна может огибать даже здания. Однако диапазон 915 МГц в Европе (в том числе и в России) сильно загружен другими средствами связи, поэтому здесь его предлагается использовать только внутри зданий. Чтобы добиться непрерывности связи, приходится применять разные типы антенн и варианты построения сетей.

Направленность антенн
В радиосетях используются как узконаправленные антенны, так и антенны с более широким сектором охвата, вплоть до всенаправленных (круговых). Выбор типа антенны определяется вариантом построения сети. Так, для соединения "точка - точка" можно применить две нацеленные друг на друга узконаправленные антенны, которые фокусируют радиолуч, увеличивая его энергетическую плотность. Таким способом удается увеличить дальность связи или улучшить качество канала при заданной дальности.
Для организации соединения "каждый с каждым" больше подходят всенаправленные антенны. Естественно, возникают ограничения по расстоянию, поэтому с такой топологией обычно строят небольшие учрежденческие сети, развернутые на малой территории.
Если в центре "ячейки" поместить базовую станцию со всенаправленной антенной и снабдить всех обслуживаемых ею абонентов сфокусированными на нее антеннами, то получится топология "точка - многоточка". И наконец, при объединении базовых станций между собой в некоторой иерархии (радиорелейными линиями, радиосоединениями "точка - точка" либо кабельными каналами) организуется фиксированная сотовая сеть.

Технология ШПС
Чтобы послать и принять радиосигнал в СВЧ-диапазоне, нужны дорогостоящие передатчик и приемники с усилителями и весьма недешевые антенны.
Так обстоит дело с обычным узкополосным радиосигналом, когда передача происходит в узкой полосе радиоспектра (в частотном канале). Ситуация ухудшается из-за появления различных взаимных помех между узкополосными сигналами. В частности, такой узкополосный сигнал может быть просто заглушен (случайно или намеренно) передатчиком достаточной мощности, работающим на той же или близкой частоте.
Именно эта незащищенность от помех обычного радиосигнала вызвала к жизни разработку совершенно иного принципа радиопередачи, называемого технологией широкополосного или шумоподобного сигнала (обоим вариантам термина соответствует аббревиатура ШПС).
Данная технология, обладающая кроме собственных характерных свойств (помехозащищенность и низкий уровень создаваемых помех), оказалась еще и относительно дешевой в условиях массового производства. Все ее функции реализуются в нескольких микроэлектронных компонентах (чипах), стоимость которых при массовом производстве очень мала. Что же касается остальных компонентов широкополосных устройств: СВЧ-электроники, антенн, - то они дешевле и проще, чем в обычном узкополосном сигнале, за счет чрезвычайно малой мощности радиосигналов.
Для передачи информации используется значительно более широкая полоса частот, чем это требуется при обычной передаче. Сегодня известны два принципиально различающихся между собой способа ее использования - метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) и метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS).

Метод прямой последовательности
Не вдаваясь в технические детали, DSSS можно представить себе следующим образом. Вся используемая широкая полоса частот делится на несколько подканалов (в стандарте 802.11 их предусмотрено 11, и мы так и будем считать в дальнейшем). Каждый передаваемый бит информации превращается по заранее зафиксированному алгоритму в последовательность из 11 бит, и эти 11 бит передаются одновременно и параллельно по всем 11 подканалам. При приеме полученная последовательность битов декодируется по тому же алгоритму, что и при кодировке. У другой пары приемник-передатчик может быть другой алгоритм кодировки-декодировки, и таких алгоритмов очень много.
Первый очевидный результат применения этого метода - защита передаваемой информации от подслушивания (у чужого DSSS-приемника другой алгоритм, и он не сможет декодировать информацию от не своего передатчика). Но важнее другое свойство описываемого метода: благодаря 11-кратной избыточности передачи можно обойтись сигналом очень маленькой мощности (по сравнению с уровнем мощности сигнала при использовании обычной узкополосной технологии).
При передаче широкополосного сигнала значительно улучшается соотношение сигнал/шум. Причем способность приемника выделить слабый сигнал еще более увеличивается за счет его 11-кратной избыточности. Это как если бы на 11 бумажках было одно и то же слово и некоторые экземпляры оказались бы написаны неразборчиво или на обгоревшем клочке - все равно в большинстве случаев мы сумеем определить, что это за слово, сравнив все 11 примеров.
Еще одно чрезвычайно полезное свойство DSSS-устройств - они практически не создают помех обычным радиоустройствам (узкополосным большой мощности), так как последние принимают широкополосный сигнал, имеющий очень низкий уровень мощности, за шум в пределах допустимого. И наоборот, обычные устройства не мешают широкополосным, так как их сигналы большой мощности "шумят" каждый только в своем узком канале и не заглушают весь широкополосный сигнал. Поясним это на таком примере: большую по размерам, но выведенную тонким карандашом букву заштрихуем фломастером - так вот, если штрихи легли не подряд, мы ее прочитаем.
Так что благодаря широкополосным технологиям можно использовать один и тот же участок радиоспектра дважды: обычными узкополосными устройствами и поверх них - широкополосными.

Метод частотных скачков
При кодировке по методу FHSS вся отведенная для передач полоса частот делится на несколько подканалов (по стандарту 802.11 их 79). Каждый передатчик за определенный промежуток времени совершает некоторое количество скачков с одного частотного канала на другие. Стандарт 802.11 не фиксирует их частоту: в каждой стране она задается по-разному. Эти скачки происходят синхронно на передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности, известной обоим; ясно, что, не зная последовательности переключений, принять передачу также нельзя.
Другая пара передатчик-приемник будет использовать и другую последовательность переключений частот, заданную независимо от первой. В одной полосе частот и на одной территории прямой видимости (в одной "ячейке") таких последовательностей может быть много. Естественно, что при увеличении числа одновременных передач возрастает и вероятность коллизий, когда, например, два передатчика одновременно перескочили на частоту 45, каждый в соответствии со своей последовательностью, и заглушили друг друга.
Метод частотных скачков, как и описанный выше метод прямой последовательности, гарантирует конфиденциальность и относительную помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-нибудь из 79 подканалов передаваемый пакет не может быть принят, то приемник сообщает об этом и передача этого пакета повторяется на одном из следующих (в последовательности скачков) подканалов.
С другой стороны, поскольку при использовании данного метода, в отличие от предыдущего, передача ведется на достаточно большой мощности (сравнимой с мощностью обычных узкополосных передатчиков), про него нельзя сказать, что он не мешает другим видам передач.

Стандарт 802.11 (Radio-Ethernet)
Radio-Ethernet - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передач. Такой канал, согласно этому стандарту, может быть организован по любой из трех технологий:

передача в инфракрасном спектре;

широкополосный сигнал по методу прямой последовательности;

широкополосный сигнал по методу частотных скачков.

Инфракрасные лучи требуют не только прямой видимости, они чувствительны и к погодным условиям, следовательно, могут использоваться лишь внутри помещений. Для радиотехнологий предусматриваются два частотных диапазона 915 МГц, 2,4 ГГц.
При методе FHSS весь диапазон 2,4 ГГц используется как одна широкая полоса (с 79 подканалами). В режиме DSSS этот же диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов и до трех таких каналов могут работать независимо и одновременно на одной территории. Номинальная скорость каждого канала - 2 Мбит/с, поэтому в DSSS при одновременном функционировании трех каналов можно добиться общей скорости передачи 6 Мбит/с. В режиме FHSS общая скорость передачи нескольких одновременно работающих передатчиков не превышает 4 Мбит/с (хотя, по некоторым оценкам, может достигать 10 Мбит/с).
Метод доступа к общему каналу - коллизионный, но, в отличие от кабельного Ethernet, в Radio-Ethernet имеется фаза предварительного резервирования канала, так что коллизии между абонентами допускаются только при резервировании (когда идет "соревнование" за занятие канала), а в процессе собственно передачи данных возникновение коллизий не возможно. Такой метод называется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance).
Стандартом предусматривается несколько вариантов построения сети, о которых упоминалось ранее: "точка - точка", "точка-многоточка" или "каждый с каждым".

DSSS или FHSS
Оба метода широкополосной передачи имеют свои сильные и слабые стороны. Режим DSSS позволяет достигать значительно большей производительности (2 Мбит/с на один канал, 6 Мбит/с на весь диапазон 2,4 ГГц), а кроме того, обеспечивает большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех), большую дальность связи и не создает помех узкополосным устройствам. С другой стороны, оборудование для DSSS несколько сложнее и дороже, чем для FHSS. Продукция для FHSS проще и дешевле, ее выпускают значительно больше. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что они, в отличие от DSSS, могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех, например создаваемых DSSS-передатчиками.
Очевидно, что плюсами и минусами определяется и область применения: FHSS-технология в любом из диапазонов, а также DSSS-технология в диапазоне 915 МГц должны преимущественно использоваться внутри зданий или на частной территории при отсутствии помех радиоустройствам, находящимся вне этих зданий и территорий. Что же касается внешних сетей, то для их построения наиболее приспособлена DSSS-технология в диапазоне 2,4 ГГц (или более высокочастотном).

Кто производит?
Широкополосные устройства, использующие модуляцию DSSS и принципы работы, основанные на стандарте 802.11 (Radio-Ethernet), выпускаются в основном двумя фирмами: Airnet (США) и Lucent Technologies (ранее один из филиалов американской телефонной корпорации AT&T). Впрочем, ШПС-оборудование, продаваемое под маркой фирмы Lucent, - чисто европейская разработка, выполненная голландской инновационной фирмой и до сих пор поддерживаемая ею.
Оборудование обеих фирм Aironet, выпускаемое под фирменным названием ARLAN и Lucent (WaveLAN и WavePOINT), пока еще не вполне реализует все детали стандарта 802.11. Но фирмы гарантируют выпуск в самое ближайшее время новых версий своих устройств, соответствующих этому стандарту. Поскольку оба производителя активно участвовали в его разработке, этим обещаниям вполне можно доверять.
WaveLAN и ARLAN представляют собой набор устройств, включающий электронный блок в нескольких реализациях для разных применений, и многочисленные антенны для обеспечения связи типа "точка - точка", "звезда" ("точка - многоточка") и "каждый с каждым". Наиболее громоздкой (ажурная "параболическая решетка" с размерами всего 80 х 40 см) является направленная антенна для наружного использования и дальности связи до 25 км. Все остальные устройства более компактны и не требуют серьезных работ по монтажу.
Сегодня диапазон розничных цен на устройства Radio-Ethernet в комплекте с антенной - от 1200 до 3000 дол. Это в несколько раз ниже, чем цены на сравнимые по производительности радиоустройства, выполненные по обычной технологии.
Следует упомянуть еще несколько фирм и продуктов. Во-первых, та же Aironet производит и FHSS-модули для диапазона 2,4 ГГц. Другой изготовитель FHSS-устройств - израильская фирма BreezeNet. Хорошо известна американская компания Windata, производящая высокоскоростные (10 Мбит/с), но дорогие устройства, совместимые с кабельным Ethernet. Из крупных производителей можно назвать также фирму Proxim.
Для российского потребителя интерес может представлять еще один продукт. Речь идет о серии синхронных (т. е. рассчитанных и на телефонию, и на передачу данных) DSSS-устройств типа "точка - точка" фирмы CyLink работает в диапазоне частот 5,7 МГц на скорости 2 Мбит/с в каждую сторону (в отличие от устройств Radio-Ethernet, в которых скорость 2 Мбит/с - суммарная для двух направлений). Тем не менее продукты фирмы CyLink минимум в два раза дешевле эквивалентных, выполненных по обычной узкополосной технологии. Они с успехом применяются в небольших радиорелейных линиях, а также для связи между собой базовых станций в сотовых сетях - как мобильных, так и фиксированных.

Дальнейшее развите: диапазон 5 ГГц и стандарт Hiperlan
Будущее ШПС-технологий связано с более высокими и менее загруженными участками спектра.
С одной стороны, это диапазон, занимающий полосу в 150 МГц, от 5,725 до 5,875 ГГц. В этом диапазоне работают, например, чрезвычайно эффективные устройства американской фирмы CyLink, уже применяющиеся и в России, в частности, вместо традиционных радиорелейных станций.
С другой стороны, Европейский институт по стандартам в области телекоммуникаций ETSI интенсивно готовит новый стандарт HIPERLAN, которому отводится участок спектра в районе 5,3 ГГц. Он даст возможность осуществлять передачу данных на больших скоростях: 10, 25 Мбит/с и выше. Разработка этого стандарта, как и устройств, ему соответствующих, будет завершена к 1998 г.