Беспроводные сети передачи данных

Беспроводные технологии передачи данных применяются в России совсем для других целей, чем на Западе. Если во всем остальном мире отказ от кабельных сетей обычно диктуется соображениями удобства, то в России беспроводные сети часто оказываются единственным средством организации корпоративных сетей или обеспечения доступа в Internet. Судьбы новых информационных технологий в России и на Западе тоже отличаются друг от друга.

На Западе вновь появляющимся подходам приходится "расталкивать локтями" уже существующие решения, которые можно назвать "старыми" лишь условно. Действительно, прошло всего несколько лет с тех пор, как их считали "новейшими" и вкладывали в них колоссальные суммы денег. С тех пор эти затраты, возможно, успели окупиться, однако как-то жалко, да и глупо, выбрасывать на помойку вполне работоспособное оборудование (кто же купит "подержанные вещи"!), какие бы кардинальные технологические новации ни предлагались взамен. В результате совершенствование технологий идет эволюционным путем (который вообще характерен для стабильного западного общества - но это так, к слову), а как одно из основных достоинств новых технических решений обычно декларируется то, что они позволяют использовать сделанные ранее вложения (читай - установленное ранее оборудование). Решения же, которые претендуют на какую-то революционность и потому требуют отказа, хотя бы частичного, от существующего оборудования, могут выжить и удержаться на рынке, только если найдут себе некоторую совершенно новую для такой техники область приложения.

В России ситуация совершенно иная. Здесь очень часто бывает так, что у нового решения просто нет предшественника. Другими словами, та область, в которой раньше подобная техника не применялась, значительно шире, чем на Западе, и представляет собой чуть ли не весь соответствующий сектор рынка.

Похожим рассуждениям мы предавались в предыдущем номере журнала "Сети"; тогда речь шла о модульных открытых системах компьютерной телефонии - новой технологии, появившейся лет пять назад и стремительно захватывающей мировой рынок. На этот раз мы собираемся рассмотреть технологию беспроводных сетей передачи с коммутацией пакетов на основе широкополосной модуляции сигнала, которая возникла на стыке компьютерных и телекоммуникационных технологий.

ЗАЧЕМ БРОСАТЬ ДАННЫЕ НА ВЕТЕР?

Довольно большую область беспроводной передачи данных можно разделить на три подобласти: мобильная связь, передача данных внутри зданий и между зданиями. Конечно, эта классификация достаточно условна, однако нам кажется, что она верно отражает основные виды задач, решаемых средствами беспроводной связи. Технические решения, применяемые в этих областях, значительно отличаются друг от друга.

Мобильные системы передачи данных распространены на Западе очень широко, и в первую очередь к ним относятся сотовые сети с коммутацией пакетов (Cellular Digital Packet Data, CDPD) и коммутацией каналов. Все они обеспечивают передачу данных на довольно низких скоростях (как правило, не выше 19,2 кбит/с) и рассчитаны в основном на индивидуальных пользователей. Мы не будем рассматривать такие сети, поскольку нас интересуют беспроводные технологии, обеспечивающие обмен данными на больших скоростях и пригодные для построения корпоративных сетей.

Внутри зданий к беспроводным технологиям прибегают прежде всего тогда, когда кабельные работы невозможны (по техническим, организационным или экономическим причинам) либо когда необходимо обеспечить обмен данными с пользователями, перемещающимися в пределах зданий. Последнее не следует путать с мобильной связью: речь идет не о реализации обмена информацией непосредственно в процессе движения, а о возможности работать в сети из любой точки помещения (здания). Для таких применений имеется специальный термин - "роуминг" (от английского "roam" - слоняться, блуждать). Беспроводные сети передачи данных внутри зданий весьма широко распространены на Западе - именно это и есть та самая область для применения новых технологий, о которой говорилось выше. Наиболее типичными примерами применения этой технологии являются:

Как видно из этого перечня, на Западе беспроводные технологии часто применяются в пределах здания - прежде всего для того, чтобы обеспечить некоторые дополнительные удобства. В конце концов, склады, больницы, биржи и супермаркеты отлично функционировали и до изобретения средств передачи данных по радио. В России же, наоборот, беспроводные технологии передачи данных используются преимущественно вне зданий. Первое и главное, для чего они нужны в нашей стране, - это организация информационного обмена на сравнительно большом расстоянии. Причин тут две.

Первая из них - отсутствие разветвленной кабельной инфраструктуры, точнее заметное отставание этой инфраструктуры от требований интенсивно развивающегося российского рынка. Эта ситуация характерна для всех стран, в экономике которых происходят быстрые изменения. Качественная связь нужна немедленно, а развертывание кабельных систем может занять значительное время. Поэтому часто бывает полезно в качестве временного решения установить оборудование для беспроводной передачи данных - пока будет создаваться достаточно развитая кабельная система, это относительно недорогое оборудование успеет окупиться.

Вторая причина -низкая плотность населения и частое отсутствие вообще какой-либо инфраструктуры. Для того чтобы обеспечить связь с небольшим поселком или, скажем, буровой вышкой, нецелесообразно прокладывать кабельную линию. Куда удобнее установить радиомост и "прокачивать" данные по нему. Подчеркнем, что справедливость этого соображения не напрямую зависит от уровня развития экономики страны - в любом случае, тянуть кабельную линию на десять километров для обслуживания дюжины человек экономически неоправданно.

В ряде крупных городов России уже развернуты опорные сети с беспроводным доступом. Они, во-первых, расширяют возможности использования крупных информационных ресурсов и Internet, а во-вторых, позволяют организовывать корпоративные сети примерно так же, как это делается с помощью кабельных сетей. В тех городах (а таких пока большинство), где нет городских опорных сетей, организация может создать свою собственную беспроводную сеть, объединив радиомостом две удаленные друг от друга ЛС.

Обратимся к технологиям передачи данных на радиочастотах. Для полноты картины скажем, что беспроводную связь можно организовать и в инфракрасном диапазоне (соответствующее оборудование выпускает, например, компания Transformation Techniques). При этом обеспечивается очень высокая скорость обмена данными (до 155 Мбит/с), однако дистанция связи ограничена пределами прямой видимости; к тому же на работу в данном диапазоне частот оказывают очень сильное влияние различные атмосферные явления (в дождь и снег канал связи может вообще перестать работать). Дальность такой связи не слишком высока, а цены на оборудование (особенно скоростное и "дальнобойное") могут составлять более сотни тысяч долларов. Поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на технологиях передачи данных в СВЧ-диапазоне.

ШИРОКОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛА

Все способы передачи данных по беспроводным (как, впрочем, и по кабельным) сетям можно разделить на две большие группы - с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. В первом случае между обменивающимися информацией устройствами устанавливается постоянное соединение, поддерживаемое в течение всего сеанса связи независимо от того, передаются данные или нет. В результате пропускная способность канала связи расходуется довольно неэкономно, но зато прием и передача информации происходят практически синхронно (с поправкой на время распространения сигнала по каналу).

Напротив, при передаче информации с коммутацией пакетов канал связи загружается только в тот момент, когда есть что передавать. Данные упаковываются в пакеты, в заголовках которых указывается адрес назначения, а коммутационная аппаратура сети обеспечивает доставку пакетов по адресу. Поскольку адрес присутствует в каждом пакете, то можно использовать один и тот же канал для передачи пакетов с разными пунктами назначения. Таким образом достигается значительная экономия пропускной способности канала, но зато передача и прием информации происходят неодновременно, причем разные фрагменты одного и того же массива данных могут достигать адресата с неодинаковыми по величине задержками.

Специфически "беспроводной" характеристикой технологии передачи данных является то, в какой полосе радиоспектра передается сигнал. Обычный "узкополосный" сигнал передается в узкой полосе радиоспектра, окружающего его несущую частоту. Недостаток этого метода заключается в том, что узкополосный сигнал должен обладать значительной энергией, поэтому он становится довольно сильным источником помех и, наоборот, сам оказывается уязвимым для внешних шумов.

Эти проблемы удается решать, используя широкополосный сигнал (ШПС, в английской литературе именуется "spread spectrum"). Под данным термином подразумеваются две достаточно далекие друг от друга технологии, общим свойстаом которых является то, что сигнал занимает значительно более широкий, по сравнению со своим узкополосным собратом, спектр частот. Обе технологии используя псевдослучайное (или, как его еще называют, шумоподобное) кодирование сигнала позволяют многим передатчикам, применяющим ортогональное кодирование, работать в одной полосе радиоспектра, не мешая друг другу. Кроме того, эти технологии позволяют значительно повысить помехоустойчивость. В настоящее время они используются в основном в трех диапазонах частот - 913 Мгц, 2,4 и 5,7 Ггц. Пропускная способность - от 1 до 4 Мбит./с.

Одним из способов формирования широкополосного сигнала является метод частотных скачков (frequency hopping spread spectrum - FHSS). В упрощенном виде (рис. 1) его можно представить следующим образом: каждый из последующих бит информации "перескакивает" на другую несущую частоту (одну из 79, определенных стандартом 802.11 для FHSS). Порядок чередования поднесущих определяется псевдослучайной последовательностью. Ясно, что не зная ее, принять передачу невозможно. Каждая пара приемник-передатчик работает с одной и той же последовательностью. Очевидно, что если в непосредственной близости друг от друга работают несколько таких пар, использующих разные последовательности скачков частоты, то они друг другу не мешают. Если же в некоторый момент чьи-то несущие случайно совпадут и соответствующие данные будут испорчены, то эту ошибку можно выявить (например, с помощью протоколов более высоких уровней), и необходимый фрагмент (очень небольшой) будет передан еще раз. Точно таким же образом обеспечивается и помехозащищенность передачи по отношению к узкополосным помехам - если помехи случайно совпадут по частоте с одной из несущих, придется повторно передать очень небольшую часть общего объема данных. Отметим (сейчас станет ясно, почему это так важно), что по интенсивности радиосигнал, передаваемый по методу FHSS, не уступает узкополосному сигналу, и поэтому активно работающие ШПС-средства вполне могут служить источником помех для других устройств.

Еще дальше от традиционной узкополосной модуляции находится метод прямой последовательности (direct sequence spread spectrum - DSSS). Здесь передаваемый сигнал вначале преобразуется в псевдослучайную последовательность более коротких и менее энергоемких импульсов, называемых чипами, каждый из которых передается на своей несущей (по стандарту 802.11 их всего 11). Как видно на рис. 2, получается широкополосный сигнал с распределенной энергией, для приема которого нужно соответствующим образом декодировать самую псевдослучайную последовательность чипов. В результате даже если интенсивность полезного сигнала на каждой несущей составляет тот же порядок, что и интенсивность фона, приемник все равно сможет выделить полезный сигнал, поскольку, грубо говоря, известно, "где его искать". Именно поэтому для обозначения ШПС, передаваемого по методу прямой последовательности, часто используют термин "шумоподобный сигнал" (иногда его используют для определения ШПС-технологии как таковой, имея при этом в виду, что если попытаться принять такой сигнал, не зная кодовой последовательности, то он ничем не будет отличаться от шума). Однако благодаря низкой интенсивности DSSS-сигнал, в отличие от FHSS-сигнала, не может быть источником помех для прочих радиопередающих устройств (рис. 3).

Еще одно большое достоинство широкополосных технологий - относительно низкая стоимость соответствующих устройств. Дело в том, что все преобразования сигнала осуществляются на уровне одной микросхемы (которая при массовом производстве оказывается очень дешевой), а радиочастотная часть также не особенно дорогая - в первую очередь, потому, что здесь не нужны большие мощности. Устройства с модуляцией по методу FHSS выпускаются большим числом компаний, и стоят дешевле, чем DSSS-устройства. Однако DSSS обеспечивает более высокую пропускную способность и обладает большим радиусом действия.

У каждой из беспроводных технологий - своя ниша. Системы на базе коммутации каналов (например, выпускаемые компанией Cylink относительно недорогие радиомодемы, работающие по технологии широкополосной модуляции сигнала) - отличное средство для создания беспроводных каналов связи между удаленными ЛС. Для организации же разветвленной информационной инфраструктуры в масштабах города наиболее разумно использовать ШПС-технологию передачи данных с коммутацией пакетов. Мы сосредоточимся именно на последней задаче.

Целый ряд компаний (в частности, Aironet, Lucent Technologies, RadioLAN, Solectek и др.) выпускает беспроводные устройства, позволяющие строить беспроводные сегменты Ethernet. Большинство российских беспроводных сетей, развернутых вне зданий, построено с использованием устройств, производимых Aironet и Lucent. Беспроводной Ethernet (или, как его иногда называют в России, Radio-Ethernet), по существу, ничем, кроме физической среды передачи информации, не отличается от кабельного. Имеется также небольшое отличие в том, как обрабатываются коллизии при доступе к среде: если протокол CSMA/CD, используемый при работе в кабельной сети, ориентирован на преодоление уже возникших коллизий (Collision Detection), то беспроводной протокол CSMA/CA (Collision Avoidance) позволяет избегать их возникновения вообще. Делается это следующим образом: перед началом передачи содержательных данных станция в течение определенного времени (достаточного для обнаружения коллизии) передает последовательность битов, не несущих никакой информации. Если в течение этого времени обнаруживается коллизия, то включается в действие механизм, известный нам по CSMA/CD. Если же коллизия не возникает, то станция переходит к передаче содержательных данных.

АССОРТИМЕНТНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ

Все активные устройства, используемые при построении беспроводных сетей, можно разделить на несколько основных типов: сетевые адаптеры для настольных и переносных компьютеров, беспроводные мосты, устройства доступа в кабельную сеть. Кроме того, некоторые компании (например, Aironet) выпускают так называемые радиомодули, т. е. электронные блоки, в которых реализуется ШПС-технология. Эти изделия поставляются производителям сетевого оборудования, которые могут "навесить" на вход модуля электронные схемы, на аппаратном уровне реализующие любой протокол второго уровня, Таким образом производитель может избавиться от "привязки" к протоколу, на который рассчитана готовая продукция компании - производителя беспроводного оборудования.

Беспроводные сетевые адаптеры нужны для того же, для чего используются их кабельные аналоги, - они обеспечивают доступ к среде передачи данных. Беспроводные мосты реализуют передачу информации между двумя кабельными сегментами. Устройства доступа в кабельную сеть используются для связи беспроводных сегментов (организуемых с помощью беспроводных сетевых адаптеров) с кабельными сетями. Применяя различные сочетания этих элементов, можно строить сети сложной топологии.

Используемое в России беспроводное оборудование чаще всего работает в диапазоне частот 2,4 ГГц. Пропускная способность устройств компаний Aironet и Lucent составляет 2 Мбит/с; впрочем, не так давно у Aironet появился беспроводной мост с пропускной способностью 4 Мбит/с. Дальность связи определяется не столько самим устройством, сколько характеристиками применяемой антенны и наличием или отсутствием дополнительного усилителя. В настоящее время максимальная дальность связи при работе со всенаправленной антенной составляет 8 км, с направленной - до 50 км (с использованием усилителей). Выходная мощность устройств - 30-50 мВт.

До недавнего времени беспроводные устройства разных производителей не могли обмениваться данными. В результате покупатель оказывался "привязанным" к тому производителю, чье устройство он приобрел первым. По инициативе ряда компаний был разработан стандарт 802.11 (в настоящий момент он находится на стадии утверждения), в котором описываются все протоколы обмена данными в сети Ethernet на радиочастотах. Принятие этого стандарта обеспечит полную совместимость между разными беспроводными устройствами, и тогда в общей картине останется только одна "дыра" - устройства доступа к кабельной сети, выпускаемые разными производителями, не могут обмениваться данными через кабельную сеть. Преодолеть данную проблему должен протокол IAPP (Inter-Access Point Protocol), разрабатываемый в настоящее время все теми же Lucent и Aironet.

ПАКЕТЫ ДАННЫХ НАД ГОРОДОМ

По сведениям московской компании CompTek International, в настоящее время в России и странах ближнего зарубежья насчитывается 1200 действующих беспроводных систем передачи данных (правда, различных по масштабу - от больших городских сетей до обычных беспроводных мостов между двумя проводными сегментами). Помимо CompTek International, продвижением беспроводных технологий на российский рынок занимается и ряд других компаний, в частности Diamond Communications и Race Communications, так что, видимо, число функционирующих систем на деле еще больше.

В последнее время все большую популярность приобретает идея построения городской опорной сети с беспроводным доступом. Обычно такая сеть состоит из нескольких сот, в центре каждой из которых устанавливается беспроводной маршрутизатор со всенаправленной антенной, обеспечивающий доступ абонентов к опорной сети. У абонентов устанавливается беспроводной маршрутизатор, снабженный направленной антенной, которая нацелена на центральную точку соты. Каждая сота представляет собой, по существу, беспроводной сегмент сети Ethernet суммарной пропускной способностью 2 Мбит/с. Несмотря на использование слова "соты", описываемые нами сети не следует путать с сотовыми телефонными сетями. В обоих случаях применяются соты, поскольку при работе в диапазоне СВЧ необходимо обеспечить прямую видимость между связываемыми антеннами. Однако сейчас речь идет не о поддержке владельцев мобильных телефонов (т. е. создании дополнительного удобства), а об обеспечении связью неподвижных абонентов в условиях недостаточно развитой инфраструктуры кабельной сети.

В настоящее время операторы городских опорных сетей с беспроводным доступом действуют примерно в 20 городах России. По инициативе CompTek International в ноябре прошлого года была создана ассоциация операторов БЕспроводных СЕтей передачи ДАнных (БЕСЕДА). Ниже мы приведем несколько примеров работы таких сетей.

Один из наиболее продвинутых проектов - опорная городская сеть SkyMAN, развернутая компанией "ПАРАД" в Екатеринбурге. Оператором сети является городской телеграф. Основное назначение сети - обеспечение "последней мили" провайдерам сетевых услуг и объединение отдельных сегментов локальных сетей. На данный момент развернуто три узла доступа к сети, где установлены программные маршрутизаторы Callisto Cell Router, разработанные "ПАРАД". Узлы доступа связаны между собой беспроводными магистралями на базе сетевых адаптеров WaveLAN производства Lucent Technologies с направленными антеннами. Для связи с клиентскими точками используются устройства доступа ARLAN 630 компании Aironet со всенаправленными антеннами. На клиентских точках устанавливается радиомаршрутизатор Callisto Access Unit с интегрированным сетевым адаптером ARLAN 655, оснащенным направленной антенной. Помимо собственного радиомаршрутизатора, компания "ПАРАД" использует также антенны собственной разработки.

В Москве развернуты две экспериментальные опорные сети с беспроводным доступом. Цель проекта - обеспечение скоростных каналов доступа в Internet и к другим информационным ресурсам. На узлах доступа к кабельной сети устанавливаются беспроводные мосты ARLAN 640, на клиентских точках - беспроводные адаптеры ARLAN 655. Между собой базовые точки сети связаны с помощью опорной сети на оптоволоконном кабеле. Не так давно компания CompTek International объявила, что в Москве появился первый жилой дом, подключенный к Internet с помощью беспроводного моста. В доме организована локальная сеть с выделенным сервером, осуществляющим также маршрутизацию сообщений для доступа в Internet. Антенна установлена на балконе одной из квартир. В каждом из подъездов установлен восьмипортовый концентратор, от которого идет разводка по квартирам. Всего на данный момент подключено 16 квартир, однако желающих подключиться значительно больше, и можно ожидать, что через некоторое время будет пущена вторая очередь проекта. Дом имеет свой собственный Web-сервер, его IP-адрес - 195.42.135.106.

Еще один пример - городская сеть TAIN города Тольятти, развернутая компанией "Аист". Здесь на точках доступа также установлены устройства производства Aironet, а для связи между ними используются существующие волоконно-оптические сети. По своим целям проект не отличается от прочих - доступ в Internet, организация корпоративных сетей.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Итак, мы видим, что идея использования беспроводных каналов передачи данных в качестве альтернативы кабельным сетям приобретает все большую популярность. В первую очередь, это связано с неразвитостью инфраструктуры "последней мили". Наверное, когда в России будет создана широкая инфраструктура высокоскоростного абонентского доступа (например, по каналам ISDN), необходимость в беспроводных каналах заметно снизится. Однако насколько быстро это произойдет - неизвестно, а пока беспроводные технологии могут принести очень большую пользу.