eng
Содержание
Содержание
Введение ....................................................................... 11
Глава 1
Беспроводные сети передачи информации.
История и основные понятия .................................. 14
1.1.
Исторический очерк развития сетевых технологий.......... 14
1.2.
Классификация и технологии беспроводных сетей........... 23
1.3.
Стандартизация в области телекоммуникаций ................ 26
1.4.
Модель взаимодействия открытых систем...................... 30
1.5.
Методы доступа к среде передачи в беспроводных сетях.. 32
Глава 2
Спутниковые сети передачи информации............ 40
2.1.
Исторический очерк развития спутниковой связи ........... 40
2.2.
Виды орбитальных группировок. Геостационарные орбиты 41
2.3.
Эллиптические, средневысотные и низкие орбиты........... 43
2.4.
Архитектура и основные принципы работы спутниковых
систем связи.............................................................. 45
2.5.
Методы множественного доступа в ССС........................ 48
Глава 3
Технологии транковой радиосвязи ......................... 52
3.1.
Виды транковых сетей связи........................................ 53
3.2.
Аналоговые транковые сети стандарта МРТ 1327 ........... 55
3.3.
Цифровая система транковой связи TETRA .................. 56
3.3.1.
Технические особенности системы TETRA............... 58
3.3.2.
Дополнительные услуги ........................................ 63
3.3.3.
Защита информации ............................................. 64
Глава 4
Цифровое телевидение.............................................. 67
4.1.
Краткий исторический экскурс .................................... 67
4.2.
Системы цифрового телевидения.................................. 70
4.3.
Стандарт ATSC ......................................................... 72
4.4.
Стандарт DVB........................................................... 75
4.5.
Переход к цифровому телевизионному вещанию............. 81
Глава 5
Цифровое радиовещание .......................................... 84
5.1.
Система Eureka-147 .................................................... 84
5.2.
Технология IBOC ....................................................... 94
5.3.
Всемирное цифровое радио (DRM) ............................... 99
Глава 6
Стандарт DECT .......................................................... 103
6.1.
Назначение стандарта DECT ....................................... 103
6.2.
Принципы организации DECT ..................................... 106
6.3.
Защита от несанкционированного доступа ..................... 109
6.4.
Системы DECT.......................................................... 110
6.5.
Аппаратная реализация DECT-устройств ...................... 111
Глава 7
Мобильные сотовые технологии ............................. 117
7.1.
Аналоговые стандарты сотовой связи............................ 118
7.2.
Глобальная система мобильной связи GSM .................... 119
7.3.
Стандарт CDMA ........................................................ 122
7.4.
Третье поколение сотовой связи ................................... 128
7.4.1.
Основные технологии третьего поколения................ 128
7.4.2.
Переходные технологии GPRS и EDGE (сети 2,5G)... 132
7.5.
Развитие сетей третьего поколения ............................... 135
Глава 8
Технология сверхширокополосной связи.............. 138
8.1.
Терминология и краткая история ................................. 138
8.2.
«Импульсное радио»................................................... 140
8.3.
Сверхширокополосные системы — достоинства и проблемы ... 143
8.4.
Особенности аппаратной реализации сверхширокополос-
ных систем................................................................ 146
Глава 9
Персональные беспроводные сети .......................... 149
9.1.
Стандарт Bluetooth..................................................... 150
9.1.1.
Стандарты Bluetooth и HomeRF ............................. 150
9.1.2.
Появление и развитие Bluetooth ............................. 151
9.1.3.
Архитектура и логическая структура сети Bluetooth .... 152
9.1.4.
Интегральная элементная база для Bluetooth ........... 161
Содержание
9.2.
Высокоскоростные персональные сети стандарта
IEEE 802.15.3............................................................. 166
9.2.1.
Спецификация IEEE 802.15.3 ................................. 166
9.2.2.
Сверхбыстродействующие персональные сети —
проект IEEE 802.15.3a ........................................... 171
9.2.3.
Технология MB-OFDM.......................................... 172
9.2.4.
Технология DS-UWB ............................................ 174
9.3.
Низкоскоростные сети стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee) .... 174
Глава 10
Беспроводные локальные сети стандартов
IEEE 802.11 .................................................................. 180
10.1.
Локальные сети под управлением IEEE 802.11................ 180
10.2.
Основные принципы IEEE 802.11.................................. 182
10.3.
МАС-уровень стандарта IEEE 802.11............................. 185
10.4.
Физический уровень стандарта IEEE 802.11b.................. 189
10.5.
Аппаратная реализация сетей IEEE 802.11b ................... 195
10.6.
Стандарт IEEE 802.11а ............................................... 198
10.6.1.
Формирование OFDM-символов ............................. 198
10.6.2.
Структура пакетов физического уровня .................. 203
10.7.
Стандарт IEEE 802.11g ............................................... 206
10.8.
Аппаратная поддержка IEEE 802.11g ............................ 213
10.9.
Проект стандарта IEEE 802.11n.................................... 216
10.10.
Отличия физического уровня....................................... 217
10.10.1.
Каналы и режимы передачи .................................. 217
10.10.2.
Формирование сигналов MIMO-OFDM ................... 218
10.10.3.
Структура кадров физического уровня.................... 222
10.10.4.
Особенности МАС-уровня...................................... 225
10.10.5.
Элементная база для 802.11n ................................. 229
Глава 11
Стандарт широкополосного доступа
IEEE 802.16-2004 ......................................................... 233
11.1.
Предыстория стандарта IEEE 802.16 ............................. 233
11.1.1.
Cистемы MMDS и LMDS/MVDS ............................ 233
11.1.2.
Появление стандарта широкополосного доступа
IEEE 802.16-2004 .................................................. 235
11.2.
Общие принципы IEEE 802.16-2004 ............................... 237
11.3.
МАС-уровень стандарта IEEE 802.16............................. 239
11.3.1.
Структура МАС-уровня ........................................ 239
11.3.2.
Соединения и сервисные потоки ............................. 241
11.3.3.
Пакеты МАС-уровня ............................................ 242
11.3.4.
Общая структура кадров IEEE 802.16 ..................... 244
11.3.5.
Принцип предоставления канальных ресурсов .......... 245
11.3.6.
Подтверждение приема (ARQ) и быстрая обратная
связь .................................................................. 247
11.4.
Физический уровень стандарта IEEE 802.16.
Режим WirelessMAN-SC.............................................. 249
11.4.1.
Канальное кодирование......................................... 249
11.4.2.
Структура кадров ................................................ 251
11.5.
Режим WirelessMAN-OFDM......................................... 255
11.5.1.
Канальное кодирование......................................... 257
11.5.2.
Структура кадров ................................................ 261
11.5.3.
Особенности запроса канальных ресурсов ................ 262
11.5.4.
Mesh-сеть ............................................................ 263
11.6.
Режим OFDMA ......................................................... 267
11.6.1.
Особенности формирования символов и канального
кодирования ........................................................ 268
11.6.2.
Структура кадров, методы распределения несущих .. 268
11.6.3.
Нисходящий OFDMA-канал................................... 270
11.6.4.
Восходящий канал................................................ 273
11.6.5.
Запрос полосы и регистрация в сети ....................... 275
11.7.
Поддержка адаптивных антенных систем ...................... 276
11.7.1.
Работа с направленными AAS ............................... 277
11.7.2.
Пространственно-временное кодирование................. 279
11.8.
Интегральная элементная база для устройств стандарта
IEEE 802.16 ............................................................... 281
Литература................................................................... 284
Введение
Системы беспроводной передачи информации существуют столько
же, сколько и сама человеческая цивилизация. Гонцы, стрелы, сиг-
нальные костры, телеграф, искровые передатчики, спутниковые си-
стемы связи — все это звенья одной цепи. Изменялись технологии, но
суть сетей передачи оставалась неизменной — организовать взаимо-
действие нескольких различных элементов так, чтобы информация
без проводов в заданное время поступала из одной точки в другую.
Однако, несмотря на почтенный возраст, беспроводные технологии
в последние 10–15 лет развиваются чрезвычайно интенсивно, став
одним из основных направлений развития телекоммуникационной
индустрии.
Разделение на проводные и беспроводные технологии передачи
информации в современном понимании началось в конце XIX в. К это-
му моменту уже окончательно оформились две ветви единого теле-
коммуникационного древа — передача голоса (телефония) и данных
(телеграф). Однако проводная связь в ту эпоху оказалась проще,
надежнее, защищеннее. Начался век проводных телекоммуникаций.
Тысячи километров кабелей опутали землю, как паутина. Челове-
чество потребляло все больше информации и все больше увязало
в путах медной проволоки и кварцевого оптического волокна.
К концу XX в. в технологии связи возникла новая волна — цифро-
вая обработка. Вскоре практически любую информацию перед транс-
ляцией, будь то речь или телевизионная картинка, стали преобразо-
вывать в поток нулей и единиц. Настала эпоха цифровой связи. Бла-
годаря цифровой обработке все теснее переплелись развивавшиеся
параллельно технологии телефонии и передачи данных, чтобы с по-
явлением пакетных сетей слиться практически воедино. Появился
даже термин «мультимедиа», означающий объединение самых раз-
личных информационных технологий (голос, аудио/видео, данные)
в единой технологической среде обработки и передачи. Взрывоподоб-
ное развитие Интернета лишь подтвердило тот факт, что цифровые
сети для современной цивилизации стали столь же необходимы, как
автострады, трубопроводы и линии электропередачи.
Локальные и региональные сети проникли во все сферы чело-
веческой деятельности, включая экономику, науку, культуру, обра-
зование, промышленность и т. д. Технологию Ethernet (10 Мбит/с)
сменили Fast Ethernet/Gigabit Ethernet (100/1000 Мбит/с), в гло-
бальных сетях свершился переход от неторопливой, но сверхнадеж-
ной технологии X.25 к Frame Relay, применению стека протоколов
TCP/IP, к технологиям ATM и GigaEthernet. Без них невозмож-
ны столь привычные сегодня электронная почта, факсимильная и
телефонная связь, доступ к удаленным базам данных в реальном
масштабе времени, службы новостей, дистанционное обучение, теле-
Введение
медицина, телеконференции, телебиржи, телемагазины и т. д. Исчез-
ни сегодня сети связи — и воцарит хаос. А ведь проводные линии
связи так просто разрушить.
Наконец, в конце XX — начале XXI в. человечество начало вы-
рываться из плена проводов. Уровень развития микроэлектроники
позволил выпускать массовые дешевые средства беспроводной свя-
зи. Бум сотовой связи, сравнимый разве что с ростом производства
персональных компьютеров, не замедляется вот уже четверть века.
Мобильных телефонов во всем мире уже вдвое больше, чем обычных
проводных телефонных аппаратов, и это только начало. Фантасти-
ческими темпами развиваются технологии беспроводных локальных
сетей, их догоняют персональные беспроводные сети и сети реги-
онального масштаба. Видимо, все возвращается на круги своя —
человечество тысячелетиями жило без проводов, хочет без них жить
и впредь.
Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации в Рос-
сии и во всем мире, о котором многие говорят как о беспроводной
революции в области передачи информации [6, 65, 33], связано c та-
кими их достоинствами, как:
– гибкость архитектуры, т. е. возможности динамического изме-
нения топологии сети при подключении, передвижении и от-
ключении мобильных пользователей без значительных потерь
времени;
– высокая скорость передачи информации (1–10 Мбит/с и выше);
– быстрота проектирования и развертывания;
– высокая степень защиты от несанкционированного доступа;
– отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или
аренды оптоволоконного или медного кабеля.
Отметим, что современные телекоммуникационные технологии
базируются на совокупности научных, технических и технологиче-
ских достижений во многих областях, от микроэлектроники и схе-
мотехники до теории связи, вычислительной техники и современных
методов организации производства. Теория Максвелла оставалась
мало кому понятной абстракцией до ее подтверждения опытами Гер-
ца. Кодовое разделение каналов и связь посредством шумоподобных
сигналов не вышли бы из стен лабораторий и сложнейших военных
систем, если бы не массовое появление дешевых процессоров цифро-
вой обработки сигнала. Интернет остался бы ARPAnet’ом, если бы
не лавиноподобное распространение персональных компьютеров и
модемов. Сотовые телефоны и пейджеры, Wi-Fi-адаптеры и цифро-
вое телевидение никогда не увидели бы свет без интеграции успехов
в самых разных областях — технических, законодательных, органи-
зационных, научных и т. д.
Введение
Вг лаве 1 приведен исторический обзор развития систем беспро-
водной связи, классификация современных систем беспроводной свя-
зи, основные системы стандартов в этой области. Рассмотрена мо-
дель взаимодействия открытых систем. Кратко описаны основные
методы доступа к среде в беспроводных сетях.
Главы со 2 по 7 посвящены различным системам беспроводной свя-
зи — спутниковой связи, транковым системам, сотовой связи [34, 35],
цифровым телевидению и радиовещанию [37], системам беспровод-
ной связи DECT [31]. Вг лаве 8 изложены принципы сверхшироко-
полосных систем связи [36].
Вг лавах 9–11 подробно рассказано о стандартах комитета IEEE 802
в области персональных, локальных и региональных беспроводных
сетей передачи информации. Глава 9 посвящена персональным бес-
проводным сетям (IEEE 802.15.1 (Bluetooth) [17], IEEE 802.15.3, 3a
и 4 (ZigBee) [41]). Вг лаве 10 описаны локальные беспроводные сети
передачи информации группы стандартов IEEE 802.11 [38, 39, 44]
(стандарты IEEE 802.11 a/b/g и проект IEEE 802.11n). Вг лаве 11
рассматривается перспективный стандарт региональных беспровод-
ных сетей IEEE 802.16-2004. Приведено описание радиоинтерфейсов,
методов модуляции и доступа к каналам, системы управления пото-
ками, механизмов уровня управления доступом к каналу передачи
(МАС-уровня) [40, 42, 43].
При описании технологий уделено внимание принципам построе-
ния аппаратуры и необходимой для этого элементной базы, приведе-
ны конкретные примеры. Рассмотрены вопросы модуляции, кодиро-
вания источника, схем доступа к каналу связи. Материал представ-
лен в исторической ретроспективе, что показывает как устойчиво
сохраняющиеся тенденции, так и динамику, перспективы и основные
направления развития систем беспроводной связи. Для ряда особо
значимых беспроводных технологий приведены примеры аппаратной
реализации устройств, описана их электронная компонентная база.
Вц елом, не являясь руководством разработчика и не заменяя
описание стандартов, книга знакомит с основными понятиями и прин-
ципами современных беспроводных технологий радиосвязи и может
стать основой для последующего глубокого изучения данного пред-
мета. Особо отметим, что отдельные главы можно читать независимо
друг от друга, поэтому монографию правомерно рассматривать как
справочник по современным беспроводным технологиям передачи
информации.
Книга предназначена для широкого круга читателей — разработ-
чиков аппаратуры, технических специалистов, связанных с телеком-
муникациями, а также для студентов соответствующих специальнос-
тей и всех, кто интересуется современными технологиями связи.
Беспроводные сети передачи информации, как следует из их назва-
ния, базируются на совокупности двух групп технологий — беспро-
водной передачи информации и сетевого взаимодействия. Историче-
ски эти технологии зародились еще в позапрошлом веке. Родоначаль-
ником всех электронных сетей (систем) передачи данных, видимо,
следует считать американского художника Самуэля Финли Бриза
Морзе. В1837 г. он разработал свою систему электросвязи по ме-
таллическому проводу и дал ей название «телеграф». Годом позже
он дополнил ее знаменитой азбукой Морзе, т. е. механизмом кодиро-
вания источника, обязательным элементом всех современных сетей.
24 мая 1844 г. между Балтимором и Вашингтоном состоялся первый
публичный сеанс телеграфной связи. Уже через четырнадцать лет
был проложен первый трансатлантический кабель, правда, просуще-
ствовал он лишь 26 дней.
В1874 г. французский инженерЖанМорис Эмиль Бодо (Baudot)
изобрел телеграфный мультиплексор, позволявший по одному про-
воду передавать до шести телеграфных каналов. Значимость это-
го изобретения и авторитет Бодо были столь высоки, что, когда
в 1877 г. другой французский инженер, Томас Муррэй, разработал
первый в истории символьный телеграфный код с фиксированным
размером символа (5 бит на символ), он назвал его кодом Бодо.
Известный также под названием телексный код, он с незначительны-
ми изменениями применяется и сегодня (наиболее распространенная
версия — стандартизированный Международным консультативным
комитетом по телефонии и телеграфии (CCITT) Международный
1.1. Исторический очерк развития сетевых технологий
алфавит № 2). Вчест ь Бодо названа и единица измерения скорости
передачи телекоммуникационных символов (бод).
Следующий шаг сделали изобретатели телефона — профессор
физиологии органов речи Бостонского университета Александр Грэй-
хем Белл при участии Томаса Ватсона (1875 г., приоритет от 14 фев-
раля 1876 г.) и независимо от них — Элайша Грей в Чикаго. По-
следнему также принадлежит немалая роль в развитии сетевых тех-
нологий. Именно он в 1888 г. запатентовал Telautograph — первое
устройство передачи факсимильных сообщений. Но это были лишь
предпосылки сетей, а именно способы формирования канала связи и
работы в нем. Сеть — это совокупность многих каналов, которыми
необходимо управлять. Впервых сетях начиная с 1880 г. этим за-
нимались телефонистки (вернее, телефонисты) методом установки
штекеров в коммутационном поле.
С 1889 г. начался новый этап в развитии сетевых технологий —
владелец бюро похоронных услуг из Канзас-Сити Элмон Браун Стро-
уджер разработал систему автоматической коммутации каналов. Имен-
но ему принадлежит приоритет в создании шагового искателя и
декадно-шаговых АТС. Предание гласит, что Строуджер столкнулся
с промышленной диверсией — жена его конкурента по цеху в Канзас-
Сити работала телефонисткой и все звонки гробовщику направляла
своему мужу. Видимо, это был один из первых случаев электрон-
ного шпионажа, который так возмутил Строуджера, что заставил
его изыскать способ избавиться от телефонисток на станции. Изоб-
ретение Строуджера оказалось столь удачным, что в 1891 г. он осно-
вал компанию Strowger Automatic Exchange (с 1901 г. — Automatic
Electric, сегодня — отделение компании General Telephone and Electronics,
GTE) . Первая АТС этой компании емкостью 99 номеров
была запущена в коммерческую эксплуатацию в 1892 г. (Ла-Порт,
шт. Индиана). Примечательно, что на первых телефонных аппаратах
для работы с АТС номер набирался посредством кнопок. В1897 г.
компания Строуджера представила прототип первого аппарата с дис-
ковым номеронабирателем.
В1885 г. произошло еще одно ключевое для сетевых техноло-
гий событие. Первые АТС обеспечивали одновременное соединение
всех возможных пар абонентов. Очевидно, что при росте номерной
емкости коммутационные матрицы становились невероятно дороги-
ми и сложными. Впервые возникла проблема доступа к ограничен-
ному коммутационному ресурсу. Ее разрешил российский инженер
М.Ф. Фрейденберг, показавший, что для 10 тыс. абонентов доста-
точно обеспечить возможность одновременного соединения любых
500 пар. Отметим, что результат Фрейденберга справедлив и се-
годня, для современных АТС: на 10 тыс. номеров допустимая ве-
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
роятность предоставления соединения составляет 0,125. В1895 г.
М.Ф. Фрейденберг совместно с другим русским инженером, С.М. Бер-
дичевским-Апостоловым, разработал и запатентовал в Великобри-
тании АТС с предыскателем, выбиравшим свободный комплект ли-
нейных искателей при снятии абонентом трубки. Предыскатель и
его принцип свободного поиска стал основой для проектирования
всех будущих АТС. Примерно с 1910 г. (к окончанию срока дей-
ствия патента Строуджера) началось массовое внедрение электро-
механических АТС. Работу, начатую М.Ф. Фрейденбергом, до ло-
гического завершения довел датский математик А.К. Эрланг, опуб-
ликовавший в 1909 г. ставшую классической работу «Теория веро-
ятностей и телефонные переговоры» («The Theory of Probabilities
and Telephone Conversations»), в которой предложил формулы для
вычисления числа абонентов АТС, желающих одновременно вести
разговоры.
Работы А.К. Эрланга положили начало нового научного направ-
ления — теории очередей (теории массового обслуживания), широко
используемой первоначально для расчетов в телефонии, а затем при
проектировании сетей передачи информации. Значительный вклад в
развитие теории очередей внес выдающийся российский математик
Александр Яковлевич Хинчин (Математическая теория стационар-
ной очереди: Математический сборник. 1932ю Т. 39. № 4. О форму-
лах Эрланга в теории массового обслуживания. Теория вероятностей
и ее применения. 1962. T. 7. Вып. 3.), выполнивший ряд оригиналь-
ных исследований для Московской телефонной сети.
В1909 г. генерал-майор корпуса связи США доктор философии
Джордж Оуэн Скваер изобрел способ посылки по телефонной линии
нескольких радиограмм одновременно — родился метод частотного
разделения каналов.
В1928 г. американский физик-электрик и изобретатель Гарри
Найквист в статье «Некоторые вопросы теории телеграфной пере-
дачи» («Certain Topics in Telegraph Transmission Theory») изложил
принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые и сфор-
мулировал знаменитую теорему Найквиста. ВСССР ее называли
теоремой Котельникова, хотя Владимир Александрович опублико-
вал аналогичные результаты через пять лет после Найквиста. Но
история все нивелирует — основополагающая теорема Клода Элвуда
Шеннона о пропускной способности канала (1948) была сформули-
рована Котельниковым в его докторской диссертации годом раньше,
в 1947 г. Однако у нас ее называют теоремой Шеннона.
В1938 г. американец А.Х. Риверс патентует метод преобразова-
ния сигнала из аналоговой формы в цифровую для коммутации и
передачи, названный импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Этот
метод впервые был практически реализован учеными из Bell Labora1.1.
Исторический очерк развития сетевых технологий
tories Клодом Шенноном, Джоном Р. Пирсом и Бернардом М. Оли-
вером в быстродействующей цифровой передающей системе, позво-
лившей транслировать несколько телефонных разговоров по одному
каналу с высоким качеством, — появилась система с временным раз-
делением (уплотнением) каналов.
Начиная с 50-х годов сетевые и беспроводные технологии начали
сближаться настолько тесно, что зачастую грань между ними про-
вести уже трудно.
Беспроводные технологии также зарождались в XIX в. Идея но-
силась в воздухе, вплотную к ней подошли такие ученые, как Г. Герц,
О. Лодж, Э. Бранли. В1892 г. английский ученый Вильям Крукс
теоретически показал возможность и описал принципы радиосвязи.
В1893 г. сербский ученый Никола Тесла в США продемонстриро-
вал передачу сигналов на расстояние. Тогда это событие не вызвало
должного резонанса, возможно, потому, что Н. Тесла, работы ко-
торого существенно опережали время, интересовался беспроводной
передачей на расстояние не информации, а энергии.
C 1878 г. над проблемой беспроводной связи работал препода-
ватель минных классов в Кронштадте Александр Степанович По-
пов. В1884 г. он изобрел первую приемную антенну, создал при-
бор для регистрации грозовых разрядов на основе когерера — стек-
лянной трубки, заполненной металлическими опилками. Под воз-
действием электромагнитного поля проводимость этой трубки рез-
ко возрастала. 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения
Российского физико-химического общества состоялся его историче-
ский доклад «Об отношении металлических порошков к электриче-
ским колебаниям». Тогда А.С. Попов продемонстрировал свой при-
бор для регистрации грозовых разрядов («грозоотметчик») и выска-
зал мысль о возможности его применения для беспроводной связи.
Первая публичная демонстрация прототипа всех грядущих беспро-
водных систем состоялась 24 марта 1896 г. на заседании того же
физико-химического общества. А.С. Попов передал на расстояние
250 м, возможно, первую в мире радиограмму, состоявшую из двух
слов «Генрих Герц».
С 1894 г. успешно экспериментировал с физическими приборами
для генерации и регистрации электромагнитных колебаний и два-
дцатилетний итальянский юноша Гульельмо Маркони, будущий Но-
белевский лауреат. В1895 г. он установил связь на расстоянии поряд-
ка двух миль, а уже в 1896 г. запатентовал свое изобретение (в 1943 г.
его патенты были аннулированы в пользу Н. Тесла [69]), в 1901-м
установил радиосвязь через Атлантику.
В1906 г. Ли де Форест создал первую электронную лампу (три-
од) — появилась возможность строить электронные усилители сиг-
налов. С тех пор беспроводная связь развивалась — и продолжает
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
по сей день — семимильными шагами, главным образом благодаря
достижениям электроники. Отметим лишь основные вехи.
С 20-х годов началось коммерческое радиовещание (посредством
амплитудной модуляции). В1933 г. Эдвин Ховард Армстронг изоб-
рел частотную модуляцию (ЧМ), с 1936 г. началось коммерческое
ЧМ-радиовещание. В1946 г. компании AT&T и Bell System присту-
пили к эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS)
для абонентов с автомобильными радиотелефонами (20 Вт). Для по-
лудуплексной связи использовалось 6 каналов шириной по 60 кГц на
частоте 150 МГц, однако из-за межканальной интерференции число
каналов вскоре сократили до трех. Система позволяла соединяться
с городской телефонной сетью.
12 августа 1960 г. был выведен на орбиту высотой 1500 км первый
спутник связи — американский космический аппарат (КА) «Эхо-1»
(Echo-1). Это был надувной шар с металлизированной оболочкой
диаметром 30 м, выполнявший функции пассивного ретранслятора.
Через два года, 10 июля и 13 декабря 1962 г., в США на низкие орби-
ты были запущены соответственно КА Telstar I и Relay-1 — первые
спутники с активными ретрансляторами. Мощность их передатчи-
ков не превышала 2 Вт. 19 августа 1964 г. впервые спутник связи был
выведен на геостационарную орбиту. Это был также американский
Syncom-3 (первые две попытки вывода в 1963 г. были неудачны-
ми). На следующий день был создан международный консорциум
спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite
Organization), который стал крупнейшей международной организа-
цией в области спутниковой связи. Сегодня ее услугами пользуются
более чем в 200 странах, причем в начале 2001 г. 2/3 всего между-
народного трафика передавалось через спутники Intelsat. 23 апреля
1965 г. был выведен на орбиту и начал успешно работать первый оте-
чественный спутник связи «Молния-1» (также с третьей попытки).
Началась эра спутниковой связи.
Ви стории сетевых технологий очередной этап начался в 60-е годы
прошлого столетия и связан с массовым появлением компьютеров.
Возникла потребность в передаче большого объема данных, зароди-
лось понятие локальной вычислительной сети (ЛВС). Был разрабо-
тан механизм коммутации сообщений (пакетов). В60-е годы над по-
строением сети с коммутацией пакетов работали (параллельно, прак-
тически ничего не зная друг о друге) специалисты в трех организаци-
ях: в Массачусетском технологическом институте (MIT), корпорации
RAND (центр стратегических исследований ВВС США), и Наци-
ональной британской физической лаборатории (NPL). Пионерской
работой в этой области явилась диссертация Леонарда Клейнрока
на соискание степени доктора философии в MIT «Информационный
поток в больших коммуникационных сетях» («Information Flow in
1.1. Исторический очерк развития сетевых технологий
Large Communication Nets», 1961). В1964 г. была опубликована рабо-
та сотрудника корпорации RAND Пола Барана «О распределенных
коммуникациях» («On Distributed Communications»). Вней были
сформулированы принципы избыточной коммуникативности и пока-
заны различные модели формирования коммуникационной системы,
способной успешно функционировать при наличии значительных по-
вреждений. В1965 г. Лоуренс Робертс из MIT совместно с Томасом
Меррилом связал компьютер TX-2 в Массачусетсе с ЭВМ Q-32 в Ка-
лифорнии по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии.
Так была создана первая нелокальная компьютерная сеть. Она убе-
дительно продемонстрировала, что сеть с коммутацией соединений
(каналов) неприемлема для таких задач.
В1962 г. в журнале «Коммунист» (№ 12) появилась статья ака-
демика АН СССР Александра Александровича Харкевича «Инфор-
мация и техника». Вн ей впервые в мире были сформулированы
основные принципы создания единой сети связи (ЕСС), предугадана
важность цифровых методов передачи и коммутации различных ви-
дов информации в цифровой форме. ЕСС, по мнению А.А. Харкеви-
ча, должна представлять собой крупнейший инженерный комплекс,
объединяющий все существующие сети связи и развивающийся пу-
тем планомерного его наращивания в органическом взаимодействии
с системой вычислительных, управляющих и справочных центров.
Знаковыми для сетевых технологий стали 1967–1968 гг. ВN PL
заработала первая ЛВС с пакетной коммутацией, во многом бла-
годаря ее директору Дональду Дэвису. Сеть работала с пиковой
скоростью — до 768 кбит/с (в начале 70-х она объединяла поряд-
ка 200 компьютеров со скоростью обмена до 250 кбит/с). Втом же
1968-м сотрудник шведского отделения компании IBM Олаф Со-
дерблюм разработал сеть Token Ring. МО США одобрило версию
первого в мире стандарта на ЛВС — MIL-STD-1553 (протокол об-
мена данными по общему последовательному каналу посредством
манчестерского линейного кода с выделенным контроллером (отече-
ственный аналог — ГОСТ 26765.52–87). Этот стандарт после ряда
модификаций до сих пор применяется в бортовых системах.
Но самое главное — в октябре 1967 г. был представлен началь-
ный план сети ARPANET, развитием которой занимался департа-
мент методов обработки информации IPTO (Information Processing
Techniques Office) агентства перспективных исследовательских про-
ектов ARPA (Advanced Research Projects Agency) МО США. Вд е-
кабре 1968 г. группа во главе с Фрэнком Хартом из компании Bolt,
Beranek и Newman (BBN) выиграла конкурс ARPA на создание так
называемого интерфейсного процессора сообщений (Interface Message
Processor). В1969 г. в рамках программы ARPANET в Калифор-
нийском университете в Лос-Анджелесе «отец» пакетной коммута-
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
ции Леонард Клейнрок построил первый узел ARPANET — прообраз
грядущего Интернета. Вт ом же году компания BBN установила
в Калифорнийском университете первый интерфейсный процессор
сообщений и подключила к нему первый компьютер. Второй узел
был образован в Стэнфордском исследовательском институте (SRI).
Двумя следующими узлами ARPANET стали Калифорнийский уни-
верситет в Санта-Барбара и Университет штата Юта. Эмбрион Ин-
тернета начал делиться.
В1970 г. появилась первая пакетная радиосеть передачи данных
(через спутник) — знаменитая ALOHA (aloha — приветствие в гавай-
ском диалекте английского языка). Ее разработал и построил Нор-
ман Абрамсон (совместно с Франком Куо и Ричародом Биндером)
из Гавайского университета. Сеть связывала различные универси-
тетские учреждения, разбросанные по отдельным островам Гавай-
ского архипелага. В1972 г. ALOHA соединили с сетью ARPANET.
ВA LOHA был реализован принцип подтверждения и повторной по-
сылки пакетов (ARQ), а также механизм множественного доступа к
каналу с контролем несущей CSMA. Тогда же начали развиваться
проекты создания пакетных радиосетей, в том числе спутниковых.
Вок тябре 1972 г. известный специалист из компании BBN Роберт
Кан на международной конференции по компьютерным коммуника-
циям впервые публично продемонстрировал работу сети ARPANET.
В1974 г. появляется статья Вирта Серфа (сотрудника Стэнфордско-
го исследовательского института) и Роберта Кана (Cerf V.G., Kahn R.E.
A protocol for packet network interconnection // IEEE Trans. Comm.
Tech. Vol. COM-22. V. 5. May 1974. P. 627–641), в которой впервые
была описана концепция протокола TCP/IP. Втом же году компа-
ния BBN запустила первую открытую службу пакетной передачи
данных (коммерческая версия ARPANET) — известный сегодня лю-
бому специалисту Telnet.
В1973 г. сотрудник исследовательского центра компании Xerox в
Пал-Альто Роберт Метклаф, до прихода в Xerox защитивший в MIT
докторскую диссертацию в области теории пакетной передачи ин-
формации и участвовавший в создании сети ARPANET, представил
своему руководству докладную записку, в которой впервые появи-
лось слово Ethernet (эфирная сеть). Вт ом же году Метклаф совмест-
но с Дэвидом Боггсом построил первую Ethernet-ЛВС, связывав-
шую два компьютера со скоростью 2,944 Мбит/с. Восн ову техноло-
гии Ethernet был положен усовершенствованный принцип CSMA/CD
с обнаружением коллизий. Через шесть лет, в 1979 г., при актив-
ном участии Р. Метклафа три ведущие в своих областях компании
США — Xerox, Intel и Digital Equipment (DEC) — начали процесс
стандартизации протокола Ethernet, успешно завершившийся через
1.1. Исторический очерк развития сетевых технологий
год. Втом же 1979 г.Метклаф при участии DEC основал знаменитую
компанию 3COM для выпуска Ethernet-совместимого оборудования.
В1976 г. CCITT выпустила рекомендацию Х.25, которая стала
первым и чрезвычайно успешным стандартом сети с пакетной пере-
дачей данных по выделенному каналу (Interface between DTE and
DCE for Terminal Operations in Packet Mode and Connected to Public
Data Networks by Dedicated Circuit). Массовая пакетная коммуника-
ция стала реальностью.
В1977 г. будущий вице-президент компании Sony Марио Токорои
и другой японский ученый, Киичироу Тамару, предложили метод
адаптации технологии Ethernet к передаче данных через радиоканал
посредством механизма подтверждений (Acknowledging Ethernet). Эта
работа заложила основу будущих беспроводных ЛВС (IEEE 802.11
и IEEE 802.15).
В1978 г. в Бахрейне телефонная компания Batelco (Bahrain Telephone
Company) начала эксплуатацию коммерческой системы бес-
проводной телефонной связи, которая считается первой в мире ре-
альной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазоне
400 МГц обслуживали 250 абонентов. Использовалось оборудова-
ние японской компании Matsushita Electric Industrial. Вт ом же го-
ду в Чикаго компания AT&T начала испытания сотовой системы
Advanced Mobile Phone Service (AMPS), работающей в диапазоне
800 МГц. Сеть из 10 зон охватывала связью 54 тыс. км2.
В1977 г. Деннис Хайес основал компанию Hayes Microcomputer
Products и выпустил на рынок первый массовый модем Micromodem II
для персональных компьютеров (Apple II). Он работал со скоростью
110/300 бит/с и стоил 280 долларов. В1979 г. в Женеве CCITT
утверждает первую модемную рекомендацию V.21, определяющую
стандартный протокол модуляции на скорости 300 бит/с.
Новый этап начался в 1980 г., когда стек протоколов TCP/IP был
принят в качестве военного стандарта США. Годом раньше пакетная
радиосеть заработала на военной базе США Форт-Брэгг. В1983 г.
сеть ARPANET была переведена на протокол TCP/IP взамен дей-
ствовавшего изначально NCP. Из ARPANET, которую вскоре все
стали называть Интернетом, выделилась сеть MILNET, обслужива-
ющая оперативные нужды МО США.
События периода 60-х годов в области сетевых технологий описа-
ны во множестве книг, воспроизводить которые здесь невозможно,
да и не нужно. За каждой датой, за каждым событием стоят на-
пряженная работа и выдающиеся достижения специалистов всего
мира. Вэт о время сетевые технологии непрерывно развивались в
сторону повышения быстродействия и надежности сетей передачи
информации, возможности интегрированной передачи данных, го-
лоса и видеоинформации. Так, в области локальных сетей было соз-
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
дано семейство технологий Ethernet-Fast Ethernet-Gigabit Ethernet,
обеспечивающих иерархию скоростей 10/100/1000 Мбит/с. Вг ло-
бальных сетях произошел переход от технологии Х.25 к техноло-
гии Frame Relay, использованию стека протоколов TСP/IP, АТМ и
Gigabit Ethernet.
Важно отметить, что и в СССР работало немало выдающих-
ся ученых и специалистов в области систем связи, в том числе и
беспроводной. Уже в 70–80-х годах проектировались и строились
современные сети связи, например, система цифровой телефонной
связи «Кавказ-5», многочисленные ведомственные сети связи. Хоро-
шо известны системы «Сирена» (первая в СССР гражданская сеть
пакетной коммутации) и «Экспресс» для автоматизации бронирова-
ния и продажи авиа- и железнодорожных билетов соответственно.
Но, видимо, закрытость как самих работ, так и общества никак не
согласовывались с концепцией открытых сетей. Возможно, именно
поэтому изначально созданная на деньги МО США открытая сеть
Интернет завоевала весь мир, породила множество сетевых техно-
логий, стимулировала развитие смежных отраслей, прежде всего
разработку соответствующей аппаратуры и элементной базы для
нее, т. е. микроэлектронику.
Видимо, именно Интернету мы исторически обязаны тем, что се-
годня беспроводные сети получили столь бурное развитие. Их появ-
ление было бы невозможно без соответствующей полупроводниковой
элементной базы. А она, в свою очередь, не может появиться, ес-
ли нет массового (многомиллионного) спроса. Историческая заслуга
и гениальное провидение тех, кто в 60-е годы начинал работы по
сетям пакетной передачи, в том, что они изначально сумели сфор-
мулировать принципы будущей глобальной сети и воплотили их. Тем
самым был создан рынок устройств для работы в сети, ставший ос-
новой для промышленности и науки в этой области. Не случайно
первым директором (с 1962 г.) департамента IPTO в ARPA, т. е. че-
ловеком, руководившим финансированием научных исследований в
области компьютерных сетей, был психолог из Массачусетского тех-
нологического института Джозеф Карл Ликлайдер. Еще в начале
60-х он сумел предвидеть появление глобальной сети взаимосвязан-
ных компьютеров. Ему принадлежит ряд публикаций о концепции
«галактической сети» (Licklider J.C.R. // On-Line Man Computer
Communication, August 1962).
Разумеется, не менее основополагающим для беспроводных се-
тей стало массовое появление персональных компьютеров и развитие
сотовой телефонии, а также стремительное развитие полупровод-
никовых технологий (создание дешевых сигнальных процессоров и
микроконтроллеров, аналоговых СВЧ-интегральных схем). Вот эти
1.2. Классификация и технологии
слагаемые и привели сегодня к тому, что высокоскоростные беспро-
водные СПИ готовы избавить мир от пут проводных коммуникаций.
Классификация чего бы то ни было — задача неблагодарная, пос-
кольку и критериев классификации можно разработать достаточно
много, и реальные объекты могут не укладываться в четкие границы
определенного класса, да и по мере развития устоявшиеся системы
классификации могут устаревать. Все это справедливо и для беспро-
водных сетей передачи информации (БСПИ). Поэтому остановимся
на наиболее популярных способах ранжирования различных беспро-
водных систем. Обычно БСПИ подразделяют по:
– способу обработки первичной информации — на цифровые и
аналоговые;
– ширине полосы передачи — на узкополосные, широкополосные
и сверхширокополосные;
– локализации абонентов — на подвижные и фиксированные;
– географической протяженности — на персональные, локаль-
ные, региональные (городские) и глобальные;
– виду передаваемой информации — на системы передачи речи,
видеоинформации и данных.
Вполне справедливы и системы градации на основе используе-
мой технологии (спутниковые сети, атмосферные оптические линии
и т. п.), по назначению и др.
Практически все рассматриваемые нами технологии относятся к
цифровым беспроводным широкополосным системам. Приведем их
отличительные признаки, охарактеризовав и «сопредельные» систе-
мы. Термин «беспроводность» определяется легко — отсутствует со-
единительный провод (оптоволоконный или медный кабель). Также
относительно просто определить, цифровая система или нет. К циф-
ровым относят системы, у которых входная аналоговая информация
(например, голос, аналоговый телевизионный сигнал и т. п.) перво-
начально преобразуется в цифровую (дискретную) форму. Однако
уже здесь возникает некоторая нечеткость. Всам ом деле, любой
сигнал при передаче через физический канал имеет чисто анало-
говый вид, он в принципе не должен быть дискретным (чем дальше
форма сигнала от бесконечной синусоиды, тем больше паразитных
гармоник и связанных с ними неприятностей), чего добиваются спе-
циальными методами. Поэтому термин «цифровая система» говорит
только о том, что в ней входящие аналоговые данные оцифрованы и
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
обрабатываются (фильтрация, скремблирование, коммутация) пре-
имущественно цифровыми методами.
Еще сложнее с шириной полосы. Строгого определения тут нет.
Обычно полагают, что если ширина спектральной полосы F, в ко-
торой работает система, много меньше центральной частоты этой
полосы fc, то система узкополосная (т. е. F/fc 1). Вп ротивном
случае система широкополосная. Критерий весьма расплывчат. Во б-
ласти цифровых систем передачи приводят и другие определения
широкополосности [30]: например, система широкополосная, если пе-
редаточная функция канала в этой полосе существенно изменяется
в зависимости от частоты (т. е. передаточная функция в рабочей
полосе узкополосной системы практически не зависит от частоты).
Очевидно, что определения эти достаточно расплывчаты. Внашем
случае под термином «широкополосная система» мы будем пони-
мать такие системы, где проявляются специфические эффекты и
свойства, связанные с широкой рабочей полосой. Поэтому точный
критерий не существен, да и невозможен.
Подразделение на мобильные и подвижные системы, казалось
бы, столь простое, на самом деле также не является тривиальным.
Следует различать собственно возможность мобильности абонентов,
предоставляемую технологией, и подразделение на мобильную и фик-
сированную службы связи, связанное с вопросами частотного рас-
пределения и лицензирования. Наиболее характерным примером та-
кой двухсмысленности является история появления в России беспро-
водной телефонной связи стандарта IS-95 (CDMA). Оборудование
этого стандарта изначально было разрешено к использованию в на-
шей стране только для предоставления услуг фиксированной связи.
Однако, как известно, IS-95 является стандартом мобильной сотовой
связи. Технологически его никак нельзя «зафиксировать». Анало-
гичная неопределенность сложилась сейчас и в спутниковой связи.
Если же говорить с технической точки зрения, ограничивать мобиль-
ность может чувствительность технологии связи к скорости движе-
ния абонента, сложность перехода из одной зоны обслуживания в
сопредельную без разрыва связи, восприимчивость к кратковремен-
ным пропаданиям связи и т. п.
Подразделение по размеру зоны обслуживания также достаточ-
но условно, если рассматривать соседние градации. К персональным
сетям (WPAN — wireless personal area network) относят системы с ра-
диусом действия от сантиметров до нескольких метров (до 10–15 м).
Основное назначение таких сетей состоит в замещении кабельной
системы для связи оборудования (например, компьютера и перифе-
рийных устройств). При этом мощность излучения передатчиков,
как правило, 1–10 мВт. Локальные сети (WLAN — wireless local area
network) подразумевают взаимную удаленность устройств на рассто-
1.2. Классификация и технологии
янии до сотен метров и мощности передатчиков порядка 100 мВт.
Это сети, предназначенные для объединения устройств в пределах
локальной зоны (здания, предприятия и т. п.). Отметим, что на осно-
ве стандартов локальных беспроводных сетей вполне успешно строят
и сети городского масштаба. Например, в этом качестве используют
такие технологии, как DECT и IEEE 802.11.
К сетям городского масштаба (региональным) можно отнести мно-
жество различных технологий. Это и наземное теле- и радиовещание,
и сотовая связь, и транковые системы. Недавно появилось семейство
стандартов на широкополосные беспроводные сети городского мас-
штаба IEEE 802.16. Если же говорить о глобальных беспроводных
системах передачи данных, то они представлены спутниковыми си-
стемами связи. Однако с учетом того, что, например, практически
все сети сотовой телефонии так или иначе связаны друг с другом, все
они разрабатываются с учетом возможности взаимодействия, мож-
но (правда, с некоторой натяжкой) говорить и о глобальных сотовых сетях.
Особой градацией является подразделение в зависимости от ти-
па передаваемой информации, например, на системы передачи речи
(или видеоинформации) и несинхронных данных. С одной стороны,
речь — это один из видов информации. После оцифровки поток
речевых данных по виду неотличим от потока любой другой ин-
формации. Развитие цифровых технологий в различных областях
телекоммуникаций (например, в проводной телефонии) давно проде-
монстрировало эффективность цифровых методов обработки, когда
и речь, и данные обрабатываются едиными способами. С другой сто-
роны, потребность в информации разного вида уже сделала реальной
интеграцию различных информационных сетей (телефония, телеви-
дение, сети передачи цифровых данных, телеметрия) на бытовом
уровне. По единому каналу передаются данные самой различной
природы. Поэтому можно достаточно уверенно предположить, что
недалек тот день, когда вся речевая информация будет обрабаты-
ваться исключительно цифровыми методами. Здесь можно было бы
остановиться, но возникает важный нюанс. Каждому виду инфор-
мации свойственны характерные требования при передаче. Человек
чувствует задержку передачи речи, когда она превышает 0,25 с.
При задержках около 0,5 с восприятие речи для многих становит-
ся неприемлемым. Причем дело не только собственно в задержке,
но и в неизбежном при дуплексной связи эхо-сигнале, который при
таких задержках устранить нереально. С другой стороны, речевая
информация малочувствительна к спорадическим помехам и поте-
рям данных. Это означает, что при пакетной передаче речи важно,
чтобы задержки распространения сигнала в канале были минималь-
ными, а маршрутизация и восстановление потока данных из пакетов
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
(даже если их последовательность нарушена) происходили в реаль-
ном времени. При этом допустима даже потеря отдельных пакетов.
Аналогична ситуация и с передачей видеоинформации — задержка
между приемом отдельных пакетов (например, MPEG-2) не долж-
на превышать некоего заданного значения, но потеря пакета, как
правило, допустима. Совершенно иные требования предъявляются
к передаче телеметрической информации, текстовых данных и т. п.
Здесь, как правило, не важен режим реального времени (в опре-
деленных пределах), но и недопустима потеря данных. Учет этих
особенностей может приводить к созданию особых технологий, ори-
ентированных на трансляцию определенных видов информации. Ха-
рактерным примером является появление технологии Frame Relay —
способа пакетной передачи, при котором не происходит проверок
прохождения отдельных пакетов (в отличие от традиционных сетей
пакетной коммутации Х.25 с подтверждением и повторной передачей
каждого пакета).
Приведенные выше рассуждения показывают, что любое опреде-
ление, так или иначе ранжирующее БСПИ, не стоит воспринимать
буквально и уж тем более не надо удивляться применению той или
иной технологии «не по назначению».
Системы беспроводной передачи информации существуют столько
же, сколько и сама человеческая цивилизация. Гонцы, стрелы, сиг-
нальные костры, телеграф, искровые передатчики, спутниковые си-
стемы связи — все это звенья одной цепи. Изменялись технологии, но
суть сетей передачи оставалась неизменной — организовать взаимо-
действие нескольких различных элементов так, чтобы информация
без проводов в заданное время поступала из одной точки в другую.
Однако, несмотря на почтенный возраст, беспроводные технологии
в последние 10–15 лет развиваются чрезвычайно интенсивно, став
одним из основных направлений развития телекоммуникационной
индустрии.
Разделение на проводные и беспроводные технологии передачи
информации в современном понимании началось в конце XIX в. К это-
му моменту уже окончательно оформились две ветви единого теле-
коммуникационного древа — передача голоса (телефония) и данных
(телеграф). Однако проводная связь в ту эпоху оказалась проще,
надежнее, защищеннее. Начался век проводных телекоммуникаций.
Тысячи километров кабелей опутали землю, как паутина. Челове-
чество потребляло все больше информации и все больше увязало
в путах медной проволоки и кварцевого оптического волокна.
К концу XX в. в технологии связи возникла новая волна — цифро-
вая обработка. Вскоре практически любую информацию перед транс-
ляцией, будь то речь или телевизионная картинка, стали преобразо-
вывать в поток нулей и единиц. Настала эпоха цифровой связи. Бла-
годаря цифровой обработке все теснее переплелись развивавшиеся
параллельно технологии телефонии и передачи данных, чтобы с по-
явлением пакетных сетей слиться практически воедино. Появился
даже термин «мультимедиа», означающий объединение самых раз-
личных информационных технологий (голос, аудио/видео, данные)
в единой технологической среде обработки и передачи. Взрывоподоб-
ное развитие Интернета лишь подтвердило тот факт, что цифровые
сети для современной цивилизации стали столь же необходимы, как
автострады, трубопроводы и линии электропередачи.
Локальные и региональные сети проникли во все сферы чело-
веческой деятельности, включая экономику, науку, культуру, обра-
зование, промышленность и т. д. Технологию Ethernet (10 Мбит/с)
сменили Fast Ethernet/Gigabit Ethernet (100/1000 Мбит/с), в гло-
бальных сетях свершился переход от неторопливой, но сверхнадеж-
ной технологии X.25 к Frame Relay, применению стека протоколов
TCP/IP, к технологиям ATM и GigaEthernet. Без них невозмож-
ны столь привычные сегодня электронная почта, факсимильная и
телефонная связь, доступ к удаленным базам данных в реальном
масштабе времени, службы новостей, дистанционное обучение, теле-
Введение
медицина, телеконференции, телебиржи, телемагазины и т. д. Исчез-
ни сегодня сети связи — и воцарит хаос. А ведь проводные линии
связи так просто разрушить.
Наконец, в конце XX — начале XXI в. человечество начало вы-
рываться из плена проводов. Уровень развития микроэлектроники
позволил выпускать массовые дешевые средства беспроводной свя-
зи. Бум сотовой связи, сравнимый разве что с ростом производства
персональных компьютеров, не замедляется вот уже четверть века.
Мобильных телефонов во всем мире уже вдвое больше, чем обычных
проводных телефонных аппаратов, и это только начало. Фантасти-
ческими темпами развиваются технологии беспроводных локальных
сетей, их догоняют персональные беспроводные сети и сети реги-
онального масштаба. Видимо, все возвращается на круги своя —
человечество тысячелетиями жило без проводов, хочет без них жить
и впредь.
Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации в Рос-
сии и во всем мире, о котором многие говорят как о беспроводной
революции в области передачи информации [6, 65, 33], связано c та-
кими их достоинствами, как:
– гибкость архитектуры, т. е. возможности динамического изме-
нения топологии сети при подключении, передвижении и от-
ключении мобильных пользователей без значительных потерь
времени;
– высокая скорость передачи информации (1–10 Мбит/с и выше);
– быстрота проектирования и развертывания;
– высокая степень защиты от несанкционированного доступа;
– отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или
аренды оптоволоконного или медного кабеля.
Отметим, что современные телекоммуникационные технологии
базируются на совокупности научных, технических и технологиче-
ских достижений во многих областях, от микроэлектроники и схе-
мотехники до теории связи, вычислительной техники и современных
методов организации производства. Теория Максвелла оставалась
мало кому понятной абстракцией до ее подтверждения опытами Гер-
ца. Кодовое разделение каналов и связь посредством шумоподобных
сигналов не вышли бы из стен лабораторий и сложнейших военных
систем, если бы не массовое появление дешевых процессоров цифро-
вой обработки сигнала. Интернет остался бы ARPAnet’ом, если бы
не лавиноподобное распространение персональных компьютеров и
модемов. Сотовые телефоны и пейджеры, Wi-Fi-адаптеры и цифро-
вое телевидение никогда не увидели бы свет без интеграции успехов
в самых разных областях — технических, законодательных, органи-
зационных, научных и т. д.
Введение
Вг лаве 1 приведен исторический обзор развития систем беспро-
водной связи, классификация современных систем беспроводной свя-
зи, основные системы стандартов в этой области. Рассмотрена мо-
дель взаимодействия открытых систем. Кратко описаны основные
методы доступа к среде в беспроводных сетях.
Главы со 2 по 7 посвящены различным системам беспроводной свя-
зи — спутниковой связи, транковым системам, сотовой связи [34, 35],
цифровым телевидению и радиовещанию [37], системам беспровод-
ной связи DECT [31]. Вг лаве 8 изложены принципы сверхшироко-
полосных систем связи [36].
Вг лавах 9–11 подробно рассказано о стандартах комитета IEEE 802
в области персональных, локальных и региональных беспроводных
сетей передачи информации. Глава 9 посвящена персональным бес-
проводным сетям (IEEE 802.15.1 (Bluetooth) [17], IEEE 802.15.3, 3a
и 4 (ZigBee) [41]). Вг лаве 10 описаны локальные беспроводные сети
передачи информации группы стандартов IEEE 802.11 [38, 39, 44]
(стандарты IEEE 802.11 a/b/g и проект IEEE 802.11n). Вг лаве 11
рассматривается перспективный стандарт региональных беспровод-
ных сетей IEEE 802.16-2004. Приведено описание радиоинтерфейсов,
методов модуляции и доступа к каналам, системы управления пото-
ками, механизмов уровня управления доступом к каналу передачи
(МАС-уровня) [40, 42, 43].
При описании технологий уделено внимание принципам построе-
ния аппаратуры и необходимой для этого элементной базы, приведе-
ны конкретные примеры. Рассмотрены вопросы модуляции, кодиро-
вания источника, схем доступа к каналу связи. Материал представ-
лен в исторической ретроспективе, что показывает как устойчиво
сохраняющиеся тенденции, так и динамику, перспективы и основные
направления развития систем беспроводной связи. Для ряда особо
значимых беспроводных технологий приведены примеры аппаратной
реализации устройств, описана их электронная компонентная база.
Вц елом, не являясь руководством разработчика и не заменяя
описание стандартов, книга знакомит с основными понятиями и прин-
ципами современных беспроводных технологий радиосвязи и может
стать основой для последующего глубокого изучения данного пред-
мета. Особо отметим, что отдельные главы можно читать независимо
друг от друга, поэтому монографию правомерно рассматривать как
справочник по современным беспроводным технологиям передачи
информации.
Книга предназначена для широкого круга читателей — разработ-
чиков аппаратуры, технических специалистов, связанных с телеком-
муникациями, а также для студентов соответствующих специальнос-
тей и всех, кто интересуется современными технологиями связи.
Беспроводные сети передачи информации, как следует из их назва-
ния, базируются на совокупности двух групп технологий — беспро-
водной передачи информации и сетевого взаимодействия. Историче-
ски эти технологии зародились еще в позапрошлом веке. Родоначаль-
ником всех электронных сетей (систем) передачи данных, видимо,
следует считать американского художника Самуэля Финли Бриза
Морзе. В1837 г. он разработал свою систему электросвязи по ме-
таллическому проводу и дал ей название «телеграф». Годом позже
он дополнил ее знаменитой азбукой Морзе, т. е. механизмом кодиро-
вания источника, обязательным элементом всех современных сетей.
24 мая 1844 г. между Балтимором и Вашингтоном состоялся первый
публичный сеанс телеграфной связи. Уже через четырнадцать лет
был проложен первый трансатлантический кабель, правда, просуще-
ствовал он лишь 26 дней.
В1874 г. французский инженерЖанМорис Эмиль Бодо (Baudot)
изобрел телеграфный мультиплексор, позволявший по одному про-
воду передавать до шести телеграфных каналов. Значимость это-
го изобретения и авторитет Бодо были столь высоки, что, когда
в 1877 г. другой французский инженер, Томас Муррэй, разработал
первый в истории символьный телеграфный код с фиксированным
размером символа (5 бит на символ), он назвал его кодом Бодо.
Известный также под названием телексный код, он с незначительны-
ми изменениями применяется и сегодня (наиболее распространенная
версия — стандартизированный Международным консультативным
комитетом по телефонии и телеграфии (CCITT) Международный
1.1. Исторический очерк развития сетевых технологий
алфавит № 2). Вчест ь Бодо названа и единица измерения скорости
передачи телекоммуникационных символов (бод).
Следующий шаг сделали изобретатели телефона — профессор
физиологии органов речи Бостонского университета Александр Грэй-
хем Белл при участии Томаса Ватсона (1875 г., приоритет от 14 фев-
раля 1876 г.) и независимо от них — Элайша Грей в Чикаго. По-
следнему также принадлежит немалая роль в развитии сетевых тех-
нологий. Именно он в 1888 г. запатентовал Telautograph — первое
устройство передачи факсимильных сообщений. Но это были лишь
предпосылки сетей, а именно способы формирования канала связи и
работы в нем. Сеть — это совокупность многих каналов, которыми
необходимо управлять. Впервых сетях начиная с 1880 г. этим за-
нимались телефонистки (вернее, телефонисты) методом установки
штекеров в коммутационном поле.
С 1889 г. начался новый этап в развитии сетевых технологий —
владелец бюро похоронных услуг из Канзас-Сити Элмон Браун Стро-
уджер разработал систему автоматической коммутации каналов. Имен-
но ему принадлежит приоритет в создании шагового искателя и
декадно-шаговых АТС. Предание гласит, что Строуджер столкнулся
с промышленной диверсией — жена его конкурента по цеху в Канзас-
Сити работала телефонисткой и все звонки гробовщику направляла
своему мужу. Видимо, это был один из первых случаев электрон-
ного шпионажа, который так возмутил Строуджера, что заставил
его изыскать способ избавиться от телефонисток на станции. Изоб-
ретение Строуджера оказалось столь удачным, что в 1891 г. он осно-
вал компанию Strowger Automatic Exchange (с 1901 г. — Automatic
Electric, сегодня — отделение компании General Telephone and Electronics,
GTE) . Первая АТС этой компании емкостью 99 номеров
была запущена в коммерческую эксплуатацию в 1892 г. (Ла-Порт,
шт. Индиана). Примечательно, что на первых телефонных аппаратах
для работы с АТС номер набирался посредством кнопок. В1897 г.
компания Строуджера представила прототип первого аппарата с дис-
ковым номеронабирателем.
В1885 г. произошло еще одно ключевое для сетевых техноло-
гий событие. Первые АТС обеспечивали одновременное соединение
всех возможных пар абонентов. Очевидно, что при росте номерной
емкости коммутационные матрицы становились невероятно дороги-
ми и сложными. Впервые возникла проблема доступа к ограничен-
ному коммутационному ресурсу. Ее разрешил российский инженер
М.Ф. Фрейденберг, показавший, что для 10 тыс. абонентов доста-
точно обеспечить возможность одновременного соединения любых
500 пар. Отметим, что результат Фрейденберга справедлив и се-
годня, для современных АТС: на 10 тыс. номеров допустимая ве-
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
роятность предоставления соединения составляет 0,125. В1895 г.
М.Ф. Фрейденберг совместно с другим русским инженером, С.М. Бер-
дичевским-Апостоловым, разработал и запатентовал в Великобри-
тании АТС с предыскателем, выбиравшим свободный комплект ли-
нейных искателей при снятии абонентом трубки. Предыскатель и
его принцип свободного поиска стал основой для проектирования
всех будущих АТС. Примерно с 1910 г. (к окончанию срока дей-
ствия патента Строуджера) началось массовое внедрение электро-
механических АТС. Работу, начатую М.Ф. Фрейденбергом, до ло-
гического завершения довел датский математик А.К. Эрланг, опуб-
ликовавший в 1909 г. ставшую классической работу «Теория веро-
ятностей и телефонные переговоры» («The Theory of Probabilities
and Telephone Conversations»), в которой предложил формулы для
вычисления числа абонентов АТС, желающих одновременно вести
разговоры.
Работы А.К. Эрланга положили начало нового научного направ-
ления — теории очередей (теории массового обслуживания), широко
используемой первоначально для расчетов в телефонии, а затем при
проектировании сетей передачи информации. Значительный вклад в
развитие теории очередей внес выдающийся российский математик
Александр Яковлевич Хинчин (Математическая теория стационар-
ной очереди: Математический сборник. 1932ю Т. 39. № 4. О форму-
лах Эрланга в теории массового обслуживания. Теория вероятностей
и ее применения. 1962. T. 7. Вып. 3.), выполнивший ряд оригиналь-
ных исследований для Московской телефонной сети.
В1909 г. генерал-майор корпуса связи США доктор философии
Джордж Оуэн Скваер изобрел способ посылки по телефонной линии
нескольких радиограмм одновременно — родился метод частотного
разделения каналов.
В1928 г. американский физик-электрик и изобретатель Гарри
Найквист в статье «Некоторые вопросы теории телеграфной пере-
дачи» («Certain Topics in Telegraph Transmission Theory») изложил
принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые и сфор-
мулировал знаменитую теорему Найквиста. ВСССР ее называли
теоремой Котельникова, хотя Владимир Александрович опублико-
вал аналогичные результаты через пять лет после Найквиста. Но
история все нивелирует — основополагающая теорема Клода Элвуда
Шеннона о пропускной способности канала (1948) была сформули-
рована Котельниковым в его докторской диссертации годом раньше,
в 1947 г. Однако у нас ее называют теоремой Шеннона.
В1938 г. американец А.Х. Риверс патентует метод преобразова-
ния сигнала из аналоговой формы в цифровую для коммутации и
передачи, названный импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Этот
метод впервые был практически реализован учеными из Bell Labora1.1.
Исторический очерк развития сетевых технологий
tories Клодом Шенноном, Джоном Р. Пирсом и Бернардом М. Оли-
вером в быстродействующей цифровой передающей системе, позво-
лившей транслировать несколько телефонных разговоров по одному
каналу с высоким качеством, — появилась система с временным раз-
делением (уплотнением) каналов.
Начиная с 50-х годов сетевые и беспроводные технологии начали
сближаться настолько тесно, что зачастую грань между ними про-
вести уже трудно.
Беспроводные технологии также зарождались в XIX в. Идея но-
силась в воздухе, вплотную к ней подошли такие ученые, как Г. Герц,
О. Лодж, Э. Бранли. В1892 г. английский ученый Вильям Крукс
теоретически показал возможность и описал принципы радиосвязи.
В1893 г. сербский ученый Никола Тесла в США продемонстриро-
вал передачу сигналов на расстояние. Тогда это событие не вызвало
должного резонанса, возможно, потому, что Н. Тесла, работы ко-
торого существенно опережали время, интересовался беспроводной
передачей на расстояние не информации, а энергии.
C 1878 г. над проблемой беспроводной связи работал препода-
ватель минных классов в Кронштадте Александр Степанович По-
пов. В1884 г. он изобрел первую приемную антенну, создал при-
бор для регистрации грозовых разрядов на основе когерера — стек-
лянной трубки, заполненной металлическими опилками. Под воз-
действием электромагнитного поля проводимость этой трубки рез-
ко возрастала. 7 мая 1895 г. на заседании физического отделения
Российского физико-химического общества состоялся его историче-
ский доклад «Об отношении металлических порошков к электриче-
ским колебаниям». Тогда А.С. Попов продемонстрировал свой при-
бор для регистрации грозовых разрядов («грозоотметчик») и выска-
зал мысль о возможности его применения для беспроводной связи.
Первая публичная демонстрация прототипа всех грядущих беспро-
водных систем состоялась 24 марта 1896 г. на заседании того же
физико-химического общества. А.С. Попов передал на расстояние
250 м, возможно, первую в мире радиограмму, состоявшую из двух
слов «Генрих Герц».
С 1894 г. успешно экспериментировал с физическими приборами
для генерации и регистрации электромагнитных колебаний и два-
дцатилетний итальянский юноша Гульельмо Маркони, будущий Но-
белевский лауреат. В1895 г. он установил связь на расстоянии поряд-
ка двух миль, а уже в 1896 г. запатентовал свое изобретение (в 1943 г.
его патенты были аннулированы в пользу Н. Тесла [69]), в 1901-м
установил радиосвязь через Атлантику.
В1906 г. Ли де Форест создал первую электронную лампу (три-
од) — появилась возможность строить электронные усилители сиг-
налов. С тех пор беспроводная связь развивалась — и продолжает
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
по сей день — семимильными шагами, главным образом благодаря
достижениям электроники. Отметим лишь основные вехи.
С 20-х годов началось коммерческое радиовещание (посредством
амплитудной модуляции). В1933 г. Эдвин Ховард Армстронг изоб-
рел частотную модуляцию (ЧМ), с 1936 г. началось коммерческое
ЧМ-радиовещание. В1946 г. компании AT&T и Bell System присту-
пили к эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS)
для абонентов с автомобильными радиотелефонами (20 Вт). Для по-
лудуплексной связи использовалось 6 каналов шириной по 60 кГц на
частоте 150 МГц, однако из-за межканальной интерференции число
каналов вскоре сократили до трех. Система позволяла соединяться
с городской телефонной сетью.
12 августа 1960 г. был выведен на орбиту высотой 1500 км первый
спутник связи — американский космический аппарат (КА) «Эхо-1»
(Echo-1). Это был надувной шар с металлизированной оболочкой
диаметром 30 м, выполнявший функции пассивного ретранслятора.
Через два года, 10 июля и 13 декабря 1962 г., в США на низкие орби-
ты были запущены соответственно КА Telstar I и Relay-1 — первые
спутники с активными ретрансляторами. Мощность их передатчи-
ков не превышала 2 Вт. 19 августа 1964 г. впервые спутник связи был
выведен на геостационарную орбиту. Это был также американский
Syncom-3 (первые две попытки вывода в 1963 г. были неудачны-
ми). На следующий день был создан международный консорциум
спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite
Organization), который стал крупнейшей международной организа-
цией в области спутниковой связи. Сегодня ее услугами пользуются
более чем в 200 странах, причем в начале 2001 г. 2/3 всего между-
народного трафика передавалось через спутники Intelsat. 23 апреля
1965 г. был выведен на орбиту и начал успешно работать первый оте-
чественный спутник связи «Молния-1» (также с третьей попытки).
Началась эра спутниковой связи.
Ви стории сетевых технологий очередной этап начался в 60-е годы
прошлого столетия и связан с массовым появлением компьютеров.
Возникла потребность в передаче большого объема данных, зароди-
лось понятие локальной вычислительной сети (ЛВС). Был разрабо-
тан механизм коммутации сообщений (пакетов). В60-е годы над по-
строением сети с коммутацией пакетов работали (параллельно, прак-
тически ничего не зная друг о друге) специалисты в трех организаци-
ях: в Массачусетском технологическом институте (MIT), корпорации
RAND (центр стратегических исследований ВВС США), и Наци-
ональной британской физической лаборатории (NPL). Пионерской
работой в этой области явилась диссертация Леонарда Клейнрока
на соискание степени доктора философии в MIT «Информационный
поток в больших коммуникационных сетях» («Information Flow in
1.1. Исторический очерк развития сетевых технологий
Large Communication Nets», 1961). В1964 г. была опубликована рабо-
та сотрудника корпорации RAND Пола Барана «О распределенных
коммуникациях» («On Distributed Communications»). Вней были
сформулированы принципы избыточной коммуникативности и пока-
заны различные модели формирования коммуникационной системы,
способной успешно функционировать при наличии значительных по-
вреждений. В1965 г. Лоуренс Робертс из MIT совместно с Томасом
Меррилом связал компьютер TX-2 в Массачусетсе с ЭВМ Q-32 в Ка-
лифорнии по низкоскоростной коммутируемой телефонной линии.
Так была создана первая нелокальная компьютерная сеть. Она убе-
дительно продемонстрировала, что сеть с коммутацией соединений
(каналов) неприемлема для таких задач.
В1962 г. в журнале «Коммунист» (№ 12) появилась статья ака-
демика АН СССР Александра Александровича Харкевича «Инфор-
мация и техника». Вн ей впервые в мире были сформулированы
основные принципы создания единой сети связи (ЕСС), предугадана
важность цифровых методов передачи и коммутации различных ви-
дов информации в цифровой форме. ЕСС, по мнению А.А. Харкеви-
ча, должна представлять собой крупнейший инженерный комплекс,
объединяющий все существующие сети связи и развивающийся пу-
тем планомерного его наращивания в органическом взаимодействии
с системой вычислительных, управляющих и справочных центров.
Знаковыми для сетевых технологий стали 1967–1968 гг. ВN PL
заработала первая ЛВС с пакетной коммутацией, во многом бла-
годаря ее директору Дональду Дэвису. Сеть работала с пиковой
скоростью — до 768 кбит/с (в начале 70-х она объединяла поряд-
ка 200 компьютеров со скоростью обмена до 250 кбит/с). Втом же
1968-м сотрудник шведского отделения компании IBM Олаф Со-
дерблюм разработал сеть Token Ring. МО США одобрило версию
первого в мире стандарта на ЛВС — MIL-STD-1553 (протокол об-
мена данными по общему последовательному каналу посредством
манчестерского линейного кода с выделенным контроллером (отече-
ственный аналог — ГОСТ 26765.52–87). Этот стандарт после ряда
модификаций до сих пор применяется в бортовых системах.
Но самое главное — в октябре 1967 г. был представлен началь-
ный план сети ARPANET, развитием которой занимался департа-
мент методов обработки информации IPTO (Information Processing
Techniques Office) агентства перспективных исследовательских про-
ектов ARPA (Advanced Research Projects Agency) МО США. Вд е-
кабре 1968 г. группа во главе с Фрэнком Хартом из компании Bolt,
Beranek и Newman (BBN) выиграла конкурс ARPA на создание так
называемого интерфейсного процессора сообщений (Interface Message
Processor). В1969 г. в рамках программы ARPANET в Калифор-
нийском университете в Лос-Анджелесе «отец» пакетной коммута-
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
ции Леонард Клейнрок построил первый узел ARPANET — прообраз
грядущего Интернета. Вт ом же году компания BBN установила
в Калифорнийском университете первый интерфейсный процессор
сообщений и подключила к нему первый компьютер. Второй узел
был образован в Стэнфордском исследовательском институте (SRI).
Двумя следующими узлами ARPANET стали Калифорнийский уни-
верситет в Санта-Барбара и Университет штата Юта. Эмбрион Ин-
тернета начал делиться.
В1970 г. появилась первая пакетная радиосеть передачи данных
(через спутник) — знаменитая ALOHA (aloha — приветствие в гавай-
ском диалекте английского языка). Ее разработал и построил Нор-
ман Абрамсон (совместно с Франком Куо и Ричародом Биндером)
из Гавайского университета. Сеть связывала различные универси-
тетские учреждения, разбросанные по отдельным островам Гавай-
ского архипелага. В1972 г. ALOHA соединили с сетью ARPANET.
ВA LOHA был реализован принцип подтверждения и повторной по-
сылки пакетов (ARQ), а также механизм множественного доступа к
каналу с контролем несущей CSMA. Тогда же начали развиваться
проекты создания пакетных радиосетей, в том числе спутниковых.
Вок тябре 1972 г. известный специалист из компании BBN Роберт
Кан на международной конференции по компьютерным коммуника-
циям впервые публично продемонстрировал работу сети ARPANET.
В1974 г. появляется статья Вирта Серфа (сотрудника Стэнфордско-
го исследовательского института) и Роберта Кана (Cerf V.G., Kahn R.E.
A protocol for packet network interconnection // IEEE Trans. Comm.
Tech. Vol. COM-22. V. 5. May 1974. P. 627–641), в которой впервые
была описана концепция протокола TCP/IP. Втом же году компа-
ния BBN запустила первую открытую службу пакетной передачи
данных (коммерческая версия ARPANET) — известный сегодня лю-
бому специалисту Telnet.
В1973 г. сотрудник исследовательского центра компании Xerox в
Пал-Альто Роберт Метклаф, до прихода в Xerox защитивший в MIT
докторскую диссертацию в области теории пакетной передачи ин-
формации и участвовавший в создании сети ARPANET, представил
своему руководству докладную записку, в которой впервые появи-
лось слово Ethernet (эфирная сеть). Вт ом же году Метклаф совмест-
но с Дэвидом Боггсом построил первую Ethernet-ЛВС, связывав-
шую два компьютера со скоростью 2,944 Мбит/с. Восн ову техноло-
гии Ethernet был положен усовершенствованный принцип CSMA/CD
с обнаружением коллизий. Через шесть лет, в 1979 г., при актив-
ном участии Р. Метклафа три ведущие в своих областях компании
США — Xerox, Intel и Digital Equipment (DEC) — начали процесс
стандартизации протокола Ethernet, успешно завершившийся через
1.1. Исторический очерк развития сетевых технологий
год. Втом же 1979 г.Метклаф при участии DEC основал знаменитую
компанию 3COM для выпуска Ethernet-совместимого оборудования.
В1976 г. CCITT выпустила рекомендацию Х.25, которая стала
первым и чрезвычайно успешным стандартом сети с пакетной пере-
дачей данных по выделенному каналу (Interface between DTE and
DCE for Terminal Operations in Packet Mode and Connected to Public
Data Networks by Dedicated Circuit). Массовая пакетная коммуника-
ция стала реальностью.
В1977 г. будущий вице-президент компании Sony Марио Токорои
и другой японский ученый, Киичироу Тамару, предложили метод
адаптации технологии Ethernet к передаче данных через радиоканал
посредством механизма подтверждений (Acknowledging Ethernet). Эта
работа заложила основу будущих беспроводных ЛВС (IEEE 802.11
и IEEE 802.15).
В1978 г. в Бахрейне телефонная компания Batelco (Bahrain Telephone
Company) начала эксплуатацию коммерческой системы бес-
проводной телефонной связи, которая считается первой в мире ре-
альной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазоне
400 МГц обслуживали 250 абонентов. Использовалось оборудова-
ние японской компании Matsushita Electric Industrial. Вт ом же го-
ду в Чикаго компания AT&T начала испытания сотовой системы
Advanced Mobile Phone Service (AMPS), работающей в диапазоне
800 МГц. Сеть из 10 зон охватывала связью 54 тыс. км2.
В1977 г. Деннис Хайес основал компанию Hayes Microcomputer
Products и выпустил на рынок первый массовый модем Micromodem II
для персональных компьютеров (Apple II). Он работал со скоростью
110/300 бит/с и стоил 280 долларов. В1979 г. в Женеве CCITT
утверждает первую модемную рекомендацию V.21, определяющую
стандартный протокол модуляции на скорости 300 бит/с.
Новый этап начался в 1980 г., когда стек протоколов TCP/IP был
принят в качестве военного стандарта США. Годом раньше пакетная
радиосеть заработала на военной базе США Форт-Брэгг. В1983 г.
сеть ARPANET была переведена на протокол TCP/IP взамен дей-
ствовавшего изначально NCP. Из ARPANET, которую вскоре все
стали называть Интернетом, выделилась сеть MILNET, обслужива-
ющая оперативные нужды МО США.
События периода 60-х годов в области сетевых технологий описа-
ны во множестве книг, воспроизводить которые здесь невозможно,
да и не нужно. За каждой датой, за каждым событием стоят на-
пряженная работа и выдающиеся достижения специалистов всего
мира. Вэт о время сетевые технологии непрерывно развивались в
сторону повышения быстродействия и надежности сетей передачи
информации, возможности интегрированной передачи данных, го-
лоса и видеоинформации. Так, в области локальных сетей было соз-
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
дано семейство технологий Ethernet-Fast Ethernet-Gigabit Ethernet,
обеспечивающих иерархию скоростей 10/100/1000 Мбит/с. Вг ло-
бальных сетях произошел переход от технологии Х.25 к техноло-
гии Frame Relay, использованию стека протоколов TСP/IP, АТМ и
Gigabit Ethernet.
Важно отметить, что и в СССР работало немало выдающих-
ся ученых и специалистов в области систем связи, в том числе и
беспроводной. Уже в 70–80-х годах проектировались и строились
современные сети связи, например, система цифровой телефонной
связи «Кавказ-5», многочисленные ведомственные сети связи. Хоро-
шо известны системы «Сирена» (первая в СССР гражданская сеть
пакетной коммутации) и «Экспресс» для автоматизации бронирова-
ния и продажи авиа- и железнодорожных билетов соответственно.
Но, видимо, закрытость как самих работ, так и общества никак не
согласовывались с концепцией открытых сетей. Возможно, именно
поэтому изначально созданная на деньги МО США открытая сеть
Интернет завоевала весь мир, породила множество сетевых техно-
логий, стимулировала развитие смежных отраслей, прежде всего
разработку соответствующей аппаратуры и элементной базы для
нее, т. е. микроэлектронику.
Видимо, именно Интернету мы исторически обязаны тем, что се-
годня беспроводные сети получили столь бурное развитие. Их появ-
ление было бы невозможно без соответствующей полупроводниковой
элементной базы. А она, в свою очередь, не может появиться, ес-
ли нет массового (многомиллионного) спроса. Историческая заслуга
и гениальное провидение тех, кто в 60-е годы начинал работы по
сетям пакетной передачи, в том, что они изначально сумели сфор-
мулировать принципы будущей глобальной сети и воплотили их. Тем
самым был создан рынок устройств для работы в сети, ставший ос-
новой для промышленности и науки в этой области. Не случайно
первым директором (с 1962 г.) департамента IPTO в ARPA, т. е. че-
ловеком, руководившим финансированием научных исследований в
области компьютерных сетей, был психолог из Массачусетского тех-
нологического института Джозеф Карл Ликлайдер. Еще в начале
60-х он сумел предвидеть появление глобальной сети взаимосвязан-
ных компьютеров. Ему принадлежит ряд публикаций о концепции
«галактической сети» (Licklider J.C.R. // On-Line Man Computer
Communication, August 1962).
Разумеется, не менее основополагающим для беспроводных се-
тей стало массовое появление персональных компьютеров и развитие
сотовой телефонии, а также стремительное развитие полупровод-
никовых технологий (создание дешевых сигнальных процессоров и
микроконтроллеров, аналоговых СВЧ-интегральных схем). Вот эти
1.2. Классификация и технологии
слагаемые и привели сегодня к тому, что высокоскоростные беспро-
водные СПИ готовы избавить мир от пут проводных коммуникаций.
Классификация чего бы то ни было — задача неблагодарная, пос-
кольку и критериев классификации можно разработать достаточно
много, и реальные объекты могут не укладываться в четкие границы
определенного класса, да и по мере развития устоявшиеся системы
классификации могут устаревать. Все это справедливо и для беспро-
водных сетей передачи информации (БСПИ). Поэтому остановимся
на наиболее популярных способах ранжирования различных беспро-
водных систем. Обычно БСПИ подразделяют по:
– способу обработки первичной информации — на цифровые и
аналоговые;
– ширине полосы передачи — на узкополосные, широкополосные
и сверхширокополосные;
– локализации абонентов — на подвижные и фиксированные;
– географической протяженности — на персональные, локаль-
ные, региональные (городские) и глобальные;
– виду передаваемой информации — на системы передачи речи,
видеоинформации и данных.
Вполне справедливы и системы градации на основе используе-
мой технологии (спутниковые сети, атмосферные оптические линии
и т. п.), по назначению и др.
Практически все рассматриваемые нами технологии относятся к
цифровым беспроводным широкополосным системам. Приведем их
отличительные признаки, охарактеризовав и «сопредельные» систе-
мы. Термин «беспроводность» определяется легко — отсутствует со-
единительный провод (оптоволоконный или медный кабель). Также
относительно просто определить, цифровая система или нет. К циф-
ровым относят системы, у которых входная аналоговая информация
(например, голос, аналоговый телевизионный сигнал и т. п.) перво-
начально преобразуется в цифровую (дискретную) форму. Однако
уже здесь возникает некоторая нечеткость. Всам ом деле, любой
сигнал при передаче через физический канал имеет чисто анало-
говый вид, он в принципе не должен быть дискретным (чем дальше
форма сигнала от бесконечной синусоиды, тем больше паразитных
гармоник и связанных с ними неприятностей), чего добиваются спе-
циальными методами. Поэтому термин «цифровая система» говорит
только о том, что в ней входящие аналоговые данные оцифрованы и
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
обрабатываются (фильтрация, скремблирование, коммутация) пре-
имущественно цифровыми методами.
Еще сложнее с шириной полосы. Строгого определения тут нет.
Обычно полагают, что если ширина спектральной полосы F, в ко-
торой работает система, много меньше центральной частоты этой
полосы fc, то система узкополосная (т. е. F/fc 1). Вп ротивном
случае система широкополосная. Критерий весьма расплывчат. Во б-
ласти цифровых систем передачи приводят и другие определения
широкополосности [30]: например, система широкополосная, если пе-
редаточная функция канала в этой полосе существенно изменяется
в зависимости от частоты (т. е. передаточная функция в рабочей
полосе узкополосной системы практически не зависит от частоты).
Очевидно, что определения эти достаточно расплывчаты. Внашем
случае под термином «широкополосная система» мы будем пони-
мать такие системы, где проявляются специфические эффекты и
свойства, связанные с широкой рабочей полосой. Поэтому точный
критерий не существен, да и невозможен.
Подразделение на мобильные и подвижные системы, казалось
бы, столь простое, на самом деле также не является тривиальным.
Следует различать собственно возможность мобильности абонентов,
предоставляемую технологией, и подразделение на мобильную и фик-
сированную службы связи, связанное с вопросами частотного рас-
пределения и лицензирования. Наиболее характерным примером та-
кой двухсмысленности является история появления в России беспро-
водной телефонной связи стандарта IS-95 (CDMA). Оборудование
этого стандарта изначально было разрешено к использованию в на-
шей стране только для предоставления услуг фиксированной связи.
Однако, как известно, IS-95 является стандартом мобильной сотовой
связи. Технологически его никак нельзя «зафиксировать». Анало-
гичная неопределенность сложилась сейчас и в спутниковой связи.
Если же говорить с технической точки зрения, ограничивать мобиль-
ность может чувствительность технологии связи к скорости движе-
ния абонента, сложность перехода из одной зоны обслуживания в
сопредельную без разрыва связи, восприимчивость к кратковремен-
ным пропаданиям связи и т. п.
Подразделение по размеру зоны обслуживания также достаточ-
но условно, если рассматривать соседние градации. К персональным
сетям (WPAN — wireless personal area network) относят системы с ра-
диусом действия от сантиметров до нескольких метров (до 10–15 м).
Основное назначение таких сетей состоит в замещении кабельной
системы для связи оборудования (например, компьютера и перифе-
рийных устройств). При этом мощность излучения передатчиков,
как правило, 1–10 мВт. Локальные сети (WLAN — wireless local area
network) подразумевают взаимную удаленность устройств на рассто-
1.2. Классификация и технологии
янии до сотен метров и мощности передатчиков порядка 100 мВт.
Это сети, предназначенные для объединения устройств в пределах
локальной зоны (здания, предприятия и т. п.). Отметим, что на осно-
ве стандартов локальных беспроводных сетей вполне успешно строят
и сети городского масштаба. Например, в этом качестве используют
такие технологии, как DECT и IEEE 802.11.
К сетям городского масштаба (региональным) можно отнести мно-
жество различных технологий. Это и наземное теле- и радиовещание,
и сотовая связь, и транковые системы. Недавно появилось семейство
стандартов на широкополосные беспроводные сети городского мас-
штаба IEEE 802.16. Если же говорить о глобальных беспроводных
системах передачи данных, то они представлены спутниковыми си-
стемами связи. Однако с учетом того, что, например, практически
все сети сотовой телефонии так или иначе связаны друг с другом, все
они разрабатываются с учетом возможности взаимодействия, мож-
но (правда, с некоторой натяжкой) говорить и о глобальных сотовых сетях.
Особой градацией является подразделение в зависимости от ти-
па передаваемой информации, например, на системы передачи речи
(или видеоинформации) и несинхронных данных. С одной стороны,
речь — это один из видов информации. После оцифровки поток
речевых данных по виду неотличим от потока любой другой ин-
формации. Развитие цифровых технологий в различных областях
телекоммуникаций (например, в проводной телефонии) давно проде-
монстрировало эффективность цифровых методов обработки, когда
и речь, и данные обрабатываются едиными способами. С другой сто-
роны, потребность в информации разного вида уже сделала реальной
интеграцию различных информационных сетей (телефония, телеви-
дение, сети передачи цифровых данных, телеметрия) на бытовом
уровне. По единому каналу передаются данные самой различной
природы. Поэтому можно достаточно уверенно предположить, что
недалек тот день, когда вся речевая информация будет обрабаты-
ваться исключительно цифровыми методами. Здесь можно было бы
остановиться, но возникает важный нюанс. Каждому виду инфор-
мации свойственны характерные требования при передаче. Человек
чувствует задержку передачи речи, когда она превышает 0,25 с.
При задержках около 0,5 с восприятие речи для многих становит-
ся неприемлемым. Причем дело не только собственно в задержке,
но и в неизбежном при дуплексной связи эхо-сигнале, который при
таких задержках устранить нереально. С другой стороны, речевая
информация малочувствительна к спорадическим помехам и поте-
рям данных. Это означает, что при пакетной передаче речи важно,
чтобы задержки распространения сигнала в канале были минималь-
ными, а маршрутизация и восстановление потока данных из пакетов
Глава 1. Беспроводные сети передачи информации
(даже если их последовательность нарушена) происходили в реаль-
ном времени. При этом допустима даже потеря отдельных пакетов.
Аналогична ситуация и с передачей видеоинформации — задержка
между приемом отдельных пакетов (например, MPEG-2) не долж-
на превышать некоего заданного значения, но потеря пакета, как
правило, допустима. Совершенно иные требования предъявляются
к передаче телеметрической информации, текстовых данных и т. п.
Здесь, как правило, не важен режим реального времени (в опре-
деленных пределах), но и недопустима потеря данных. Учет этих
особенностей может приводить к созданию особых технологий, ори-
ентированных на трансляцию определенных видов информации. Ха-
рактерным примером является появление технологии Frame Relay —
способа пакетной передачи, при котором не происходит проверок
прохождения отдельных пакетов (в отличие от традиционных сетей
пакетной коммутации Х.25 с подтверждением и повторной передачей
каждого пакета).
Приведенные выше рассуждения показывают, что любое опреде-
ление, так или иначе ранжирующее БСПИ, не стоит воспринимать
буквально и уж тем более не надо удивляться применению той или
иной технологии «не по назначению».