При выборе оптимальной беспроводной технологии приходится учитывать разные факторы. В их число входят, с одной стороны, конкретные приложения и деловые процессы, для поддержки которых используется беспроводная связь, а с другой — условия окружающей среды: электромагнитный шум, отражения сигналов от препятствий (многолучевое замирание), наличие других пользователей того же канала или соседних частот. Наряду с определением надлежащих масштабов системы речь всегда идет об обеспечении доступности и безопасности трафика данных, критически важного для бизнеса. В статье рассказывается о преимуществах и недостатках систем, работающих в диапазоне 2,4 ГГц (в соответствии со стандартом IEEE 802.11), по сравнению с узкополосными беспроводными технологиями.
Критически важные для бизнеса процессы, к примеру в логистике, требуют абсолютно надежного коммуникационного канала. Поток товаров напрямую зависит от потока данных, поэтому в беспроводных сетях сигналы приемлемого качества должны доходить до каждого конечного устройства.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ШУМ
Электромагнитный шум имеется на каждой частоте. В беспроводных сетях действует правило: чем больше пользователей, тем выше степень «загрязнения», с которым конечным устройствам приходится справляться. Частоты, выделенные для промышленных, научных и медицинских организаций (Industrial, Scientific, Medical, ISM), т. е. частоты между 2400 и 2483,5 МГц, относятся к наиболее «загрязненным» диапазонам частот. Причина заключается в скачкообразном распространении беспроводных сетей, а также микроволновых устройств, промышленных систем отопления, работающих на частоте 2,4 ГГц, и микроволновой радиорелейной связи. Согласно исследованию, которое опубликовали До Чжу Йон, Дэнис М. Эйкер и Пер К. Энге в США в 2003 г., средний уровень шумов даже в сельской местности заметно превышает уровень чувствительности беспроводных устройств, равный –90 дБм (при уровне мощности 1 мВт).
В отчете же Национальной администрации по информатике и телекоммуникациям США (National Telecommunications Information Administration, NTIA) под номером NTIA 02-300 говорится о том, что стандартные узкополосные приемники с шириной полосы шумов в 10 кГц без проблем воспринимают электромагнитный шум в диапазоне 400 МГц даже в городах, благодаря чему дальность их действия не уменьшается. Таким образом, беспроводное устройство передачи данных, работающее в диапазоне 2,4 ГГц, подвержено в сельской местности в 100 тыс. раз более высоким шумовым помехам, нежели узкополосное устройство в диапазоне 400 МГц в городе.
Несмотря на высокий уровень шума в выделенном для IEEE 802.11 диапазоне, технология передачи сигнала в расширенном спектре по методу прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) предусматривает эффективные методы, которые были разработаны специально для применения в средах с высоким уровнем помех и шумов, поэтому они отличаются повышенной сопротивляемостью помехам и паразитным сигналам. Подобный результат достигается, к примеру, путем распределения сигнала по широкой полосе частот, так что вероятность того, что сигнал дойдет до нужного получателя, повышается. В любом случае шум в среде необходимо учитывать уже на стадии планирования беспроводной сети, чтобы избежать излишних расходов на устранение проблем.
МНОГОЛУЧЕВОЕ ЗАМИРАНИЕ
Многолучевое замирание, или распространение по разным путям, отмечается в тех случаях, когда приемник вместе с прямым сигналом получает ненужный отраженный сигнал. В данном случае отражением называется «отскакивание» сигнала от металлического предмета. Контейнеры для транспортировки, металлические стеллажи, а также стены из железобетона представляют собой непреодолимый барьер для электромагнитных волн.
С этим явлением пользователь сталкивается именно в случае высокочастотных волн, к примеру, при появлении так называемой «радиотени», когда полезный сигнал перекрывается сдвинутой по фазе, перевернутой версией исходного сигнала. В худшем случае отраженная волна гасит оригинал. При высоких частотах длины волн становятся меньше, поэтому точки нейтрализации сигнала расположены ближе друг к другу.
Наиболее эффективный метод противодействия нежелательным эффектам многолучевого замирания в области 2,4 ГГц заключается в так называемом «разнесении антенн», при котором две антенны устанавливаются на расстоянии, кратном четверти длины волны. В результате уменьшается вероятность того, что антенна окажется в «радиотени». В узкополосных системах этот метод не нужен, поскольку волны низкой частоты легче проникают через материалы, так что явление многолучевого замирания встречается реже. Кроме того, эффекты замирания при использовании узкой полосы проявляются «мягче» и почти не представляют собой каких-либо проблем.
ВЗАИМНЫЕ ПОМЕХИ
Диапазон ISM на частоте 2,4 ГГц почти во всех индустриально развитых странах не требует получения лицензии. Поэтому пользователи должны быть готовыми к тому, что их работе могут помешать новые источники помех. Ни стандарты IEEE 802.11b и g, ни Федеральная комиссия по связи США (Federal Communication Commission, FCC), выдающая разрешения на использование коммуникационных устройств, ни какие-либо другие ведомства не требуют от приемника, работающего на частоте 2,4 ГГц, способности правильного декодирования сигнала при одновременной передаче от нескольких участников в том же самом или соседнем диапазоне частот. Однако регулирующие органы разрешают использовать в диапазоне стандарта 802.11 устройства с более низким уровнем мощности, нежели в узкополосном диапазоне. Благодаря этому взаимные помехи в соседних сетях должны быть меньше.
Узкополосные системы обычно проектируются в соответствии с европейским стандартом EN 300 113 для частной мобильной связи, который остается базовым для национальных комитетов, определяющих, к примеру, чувствительность или подавление помех в том же или соседнем канале. Что касается правильного приема сигнала, то стандарт для узких диапазонов частот гораздо строже. Во многих странах Европейского Союза участники беспроводной сети могут защитить себя при помощи лицензирования частот. В большинстве случаев за выделение высокочастотного канала необходимо заплатить лишь небольшую пошлину. Если впоследствии помехи все же наблюдаются, за устранение нарушений отвечает уполномоченная организация, она препятствует и неправомочному пользованию радиосвязью.
КАК ИЗБЕЖАТЬ ЭФФЕКТОВ ОТ ПОМЕХ
Гарантировать, что беспроводная сеть будет работать без помех, невозможно. И все же ряд мер позволяет избежать нежелательных эффектов, обусловленных помехами. В беспроводных сетях технология DSSS применяет специальные методы, например снижение мощности сигналов, нацеленные на ограничение их распространения в соседние сети. Кроме того, опытные пользователи пытаются управлять сигналами так, чтобы они не покидали пределов компании. Это повышает уровень безопасности, и важный высокочастотный сигнал остается в используемой области. В случае узкополосных систем надежным средством защиты от помех является получение лицензии.
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Стандартизация беспроводных сетей в соответствии с IEEE 802.11 привела к скачкообразному росту числа пользователей и устройств, что усложняет задачу обеспечения безопасности связи. Недорогие технологии и необходимые ноу-хау доступны и взломщикам. Комитеты по стандартизации отреагировали на сложившуюся ситуацию выпуском ряда технологий, среди которых — защищенный доступ Wi-Fi (Wi-Fi Protected Access, WPA), стандарт IEEE 802.11i и расширенный стандарт шифрования (Advanced Encryption Standard, AES). Стандарт IEEE 802.1X предлагает высокопроизводительный протокол аутентификации, при использовании которого на внутреннем сервере инсталлируется и выполняется служба дистанционной аутентификации пользователей по коммутируемым линиям (Remote Authentication Dial-In User Service, RADIUS) и база данных пользователей. Кроме того, администраторы беспроводных сетей вынуждены принимать дополнительные меры против появления в сети незарегистрированных точек доступа (Rogue Access Points).
Узкополосные сети предъявляют к обеспечению безопасности менее строгие требования, поскольку в большинстве случаев мобильные устройства передачи данных настраиваются под потребности предприятия. Методы модуляции также нестандартны (закрыты), поэтому сигналы чужих устройств не могут быть расшифрованы, даже если они посылаются или принимаются на той же радиочастоте.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ
Иерархическое построение узкополосных сетей напоминает структуру распространенных сегодня сетей стандарта IEEE 802.11 на базе коммутаторов: все данные должны проходить через коммутатор или контроллер. С одной стороны, можно проконтролировать, куда отправляются пакеты данных, с другой — повысить степень их сжатия. Это не только делает использование полосы пропускания более эффективным, но и обеспечивает дополнительный уровень безопасности. В узкополосной системе доступ к сети будут иметь только пользователи со специально сконфигурированным терминалом для работы с данными. Подобным образом можно достичь высокого уровня безопасности для передачи критически важных данных как в узкополосных, так и в широкополосных беспроводных сетях.
ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ, ОБЛАСТЬ ПОКРЫТИЯ, МОЩНОСТЬ
Численные характеристики не дают ясного представления о том, насколько эффективно передаются данные в доступных каналах. На небольших расстояниях можно достичь высокой скорости передачи при ограниченной полосе пропускания. Если же доступ к приложениям, требующим большой пропускной способности, необходимо предоставить для устройства, находящегося на значительном удалении, придется либо существенно увеличить мощность передачи, либо сильнее сжимать передаваемые данные. Требовательные приложения с большими объемами данных нуждаются в широкополосных беспроводных сетях. Однако следует учитывать, что с ростом пропускной способности увеличивается и число точек доступа. В спектре частот 2,4 ГГц одна точка доступа с пропускной способностью 2 Мбит/с в состоянии покрыть область диаметром до 80 м. Напротив, в случае пропускной способности 54 Мбит/с диаметр не превышает 20 м (см. Рисунок 1). Однако необходимость в пропускной способности 54 Мбит/с возникает очень редко.
РАЦИОНАЛЬНАЯ АЛЬТЕРНАТИВА БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ
Нередко в транзакциях логистических приложений одновременно приходится передавать всего несколько сотен байт, к примеру штрих-коды, информацию о местоположении или номера продуктов. Ограниченную полосу пропускания можно использовать более эффективно при сжатии данных, а с помощью метода временных интервалов гарантировать необходимую пропускную способность для некоторого количества мобильных устройств. Путем эмуляции на базе контроллеров в узкополосной сети нетрудно добиться молниеносной реакции — менее одной секунды, даже несмотря на небольшую (по сравнению с беспроводной сетью) полосу пропускания.
НЕВЫСОКИЕ ЗАТРАТЫ НА БЕСПРОВОДНУЮ СЕТЬ
Как уже упоминалось, мощность излучения в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц ограничена уровнем 100 мВт. Узкополосные системы, напротив, работают с мощностью до 1 Вт (в Германии до 500 мВт) и достигают большей дальности передачи. Таким образом, затраты на беспроводную сеть оказываются не слишком большими, поскольку базовых станций устанавливается меньше, чем при широкополосном покрытии. Однако в случае узкополосных конечных устройств следует позаботиться о мощных аккумуляторах. Свести к минимуму количество передач данных, требующих больших энергетических затрат, помогут интеллектуальные транспортные протоколы, поэтому имеющейся емкости аккумуляторов хватит на весь рабочий день.
Ричард Харада — главный менеджер по продуктам компании Psion Teklogix.
© AWi Verlag