Беспроводные чудеса в решете

Беспроводные стандарты

Беспроводные локальные сети HiperLAN2 и спецификация Bluetooth могут произвести настоящую революцию в средствах соединения.

Такой стремительной эволюцией рынок обязан двум технологиям — High Performance Radio LAN (HiperLAN) и Bluetooth (последняя получила свое название в честь датского короля Х века).

Имеющая несколько разновидностей HiperLAN представляет собой беспроводную технологию для локальных сетей следующего поколения с пропускной способностью до 25 Мбит/с. В этой статье мы будем рассматривать только одну ее версию — HiperLAN2. Bluetooth с радиусом действия 10 м относится скорее к беспроводным технологиям индивидуального пользования. Она разрабатывалась с целью избавиться от путающихся под ногами проводов, наличие которых так омрачает пользование современными высокотехнологичными игрушками. Обе технологии являются новым словом в применении достижений современной науки и техники в практических целях.

За последнее время на рынке локальных беспроводных решений произошло много событий, поэтому мы начнем статью с краткого обзора основных тенденций. Кроме того, у HiperLAN и Bluetooth имеются конкуренты, поэтому, прежде чем переходить к рассмотрению их собственных достоинств, мы сравним их с некоторыми альтернативными технологиями.

ПЕЙЗАЖ

Развитие рынка беспроводных решений для локальных сетей определяется действием нескольких сил. Одна из них — снижение цен до 200 долларов за адаптер для офисных и до вдвое меньшей величины — для персональных продуктов. Например, стоимость платы IEEE 802.11b компании Apple составляет 99 долларов. Столь низкие цены делают беспроводные локальные сети весьма привлекательным предложением.

Стандарты, как официальные, так и отраслевых консорциумов, так же оказывают свое влияние на развитие рынка, как и принятие PC Card в качестве стандартного форм-фактора. Кроме того, в борьбу за рынок включились крупнейшие сетевые компании, в том числе Cisco Systems, Nortel Networks, Nokia и Ericsson, большинство посредством недавних приобретений.

Формирующийся спрос на совместное использование периферии и широкополосные соединения Internet в домашних условиях может превратиться в настоящий бум. Все большее число пользователей останавливают свой выбор на портативном компьютере как своем основном и единственном рабочем месте. Как следствие, наличие мобильных средств соединения оказывается для них весьма желательным. Однако рынок на этом не останавливается: сотни миллионов сотовых телефонов вот-вот должны обрести средства работы в Internet, а пользователи наверняка захотят иметь возможность подключиться к портативным компьютерам, гарнитурам, автомобильным комплектам «свободные руки» и точкам доступа в локальную сеть.

Потенциальный спрос на недорогие высокоскоростные локальные беспроводные соединения очевиден, и для организации таких соединений предлагается множество технологий. В области беспроводных локальных сетей имеется немало нестандартных подходов, стандарты отраслевых консорциумов (в том числе OpenAir и HomeRF), стандарты IEEE 802.11 и HiperLAN.

HIPERLAN2

HiperLAN2 является наиболее сложной из имеющихся беспроводных технологий для локальных сетей. Она пользуется широкой поддержкой в отрасли. Означает ли это, что она будет единственным стандартом в своем классе? Скорее всего, нет, так как продукты на базе HiperLAN1 появятся раньше HiperLAN2, а продукты на базе IEEE 802.11a будут иметь сопоставимую производительность. По сути, IEEE 802.11а и HiperLAN2 имеют один и тот же физический уровень, так что при создании соответствующих продуктов могут использоваться одни и те же компоненты, а это позволит снизить цены на них.

Разработка стандартов HiperLAN ведется Европейским институтом стандартов в области связи (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) в рамках проекта сети широкополосного радиодоступа (Broadband Radio Access Network, BRAN). Этот проект охватывает четыре стандарта: HiperLAN1, HiperLAN2, HiperLink для радиомагистралей внутри здания и HiperAccess для фиксированного использования вне здания в целях обеспечения доступа к проводной инфраструктуре.

Работа над стандартом HiperLAN1 уже завершена, и ведущие производители оборудования для беспроводных сетей, в частности Proxim, приступили к выпуску продуктов на его основе. HiperLAN1 открывает перед высокоскоростными беспроводными технологиями для локальных сетей наиболее быстрый путь выхода на рынок при минимальной сложности радиотехнологии.

В HiperLAN1 применяется хорошо известный и широко используемый в сотовых сетях GSM и CDPD метод модуляции Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). В отличие от него, в HiperLAN2 используется новая радиотехнология — так называемое уплотнение с ортогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), реализация которого является весьма серьезной технической задачей.

Выбор спектра играет критически важную роль для реализации беспроводных локальных сетей следующего поколения. В настоящее время большинство беспроводных продуктов для локальных сетей рассчитано на работу в безлицензионном диапазоне 2,4 ГГц, имеющем несколько ограничений: его ширина составляет всего 80 МГц; он предусматривает обязательное использование технологии передачи в размытом спектре; пользователи беспроводных сетей не должны мешать своей работой основным держателям лицензии.

Признавая свойственные диапазону 2,4 ГГц ограничения, отвечающие за выдачу лицензий органы власти во всем мире согласились выделить крупные блоки частот в диапазоне 5 ГГц. В Соединенных Штатах это полоса общей шириной 300 МГц от 5,15 ГГц до 5,35 ГГц и от 5,725 ГГц до 5,825 ГГц. В Европе полоса шириной 300 МГц выделена в диапазоне от 5,15 МГц до 5,35 МГц и от 5,470 ГГц до 5,725 ГГц. Япония также планирует выделить аналогичный диапазон.

Эти широкие блоки в сочетании с менее жесткими правилами пользования дают возможность обеспечить высокоскоростную связь для большого числа пользователей. Оба стандарта HiperLAN имеют одно серьезное преимущество над IEEE 802.11а, а именно то, что они рассчитаны на разрешенные в Европе частоты. Продукты же на базе IEEE 802.11а может оказаться невозможным использовать в Европе.

Стандарт HiperLAN2 продвигается отраслевой группой HiperLAN2 Global Forum, куда входят такие «тяжеловесы», как Bosch, Dell Computer, Ericsson, Nokia, Telia, T1 и Xircom. Работа над стандартом должна быть завершена в этом году, но первые продукты вряд ли появятся ранее 2001 г., а массовые поставки начнутся не ранее 2002 г.

Наиболее привлекательной чертой HiperLAN2 является ее высокая скорость, в качестве каковой иногда ошибочно называется величина 54 Мбит/с. Действительно, номинальная скорость радиопередачи будет составлять 54 Мбит/с, но типичная скорость для приложений будет ближе к 20 Мбит/с. Другая характерная черта — поддержка QoS, что весьма важно для таких приложений, как видео и речь.

Архитектура HiperLAN2 обеспечивает соединение со множеством типов сетей, в том числе Ethernet (она будет поддерживаться в числе первых), IP, ATM и PPP. Функции защиты включают аутентификацию и шифрование. Совершенно новой функцией является автоматическое управление частотами, значительно упрощающее внедрение. Каждую из этих возможностей мы подробнее рассмотрим в следующем разделе.

Благодаря сочетанию высокой скорости и QoS, HiperLAN открывает возможность реализации совершенно нового класса приложений, таких, как вещание видеосигнала на жилые дома.

ВВЕРХ ПО СТЕКУ

Как и другие беспроводные технологии для локальных сетей, HiperLAN обеспечивает взаимодействие мобильных терминалов с точками доступа, служащими в качестве моста к проводным сетям. Кроме того, мобильные узлы могут взаимодействовать друг с другом напрямую, хотя на практике такое использование является редкостью.

HiperLAN2 работает как прозрачное расширение других сетей, так что для узлов проводной сети узлы HiperLAN2 выглядят точно так же, как любой другой узел. Все распространенные сетевые протоколы третьего уровня (например, IP, IPX и AppleTalk) могут функционировать поверх HiperLAN2, что гарантирует поддержку всех стандартных сетевых приложений.

Рисунок 1. Протоколы HiperLAN2 охватывают физический уровень, канальный уровень и уровень конвергенции.

Как видно из Рисунка 1, HiperLAN2 определяет физический и канальный уровень. Выше находится уровень конвергенции, он принимает пакеты от существующих сетевых систем и преобразует их в надлежащий формат для доставки по беспроводной сети.

Первой отличительной особенностью HiperLAN2 является опора на OFDM. Хотя OFDM и использовалось ранее в таких стандартах, как европейский стандарт на цифровое аудиовещание (European Digital Audio Broadcast, DAB) и асимметричная цифровая абонентская линия (Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL), оно никогда прежде не применялось в беспроводных технологиях.

OFDM чрезвычайно эффективно в среде с дисперсией по времени, где сигналы могут распространяться по разным путям, вследствие чего они поступают к адресату с разной задержкой. При высоких скоростях передачи эти задержки по времени могут составлять значительную долю длительности сигнала (модулированной волны), в результате один символ может накладываться на другой и вызывать так называемую «межсимвольную интерференцию».

Рисунок 2. При уплотнении с ортогональным разделением частот (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) одна высокочастотная несущая заменяется на несколько поднесущих со значительно меньшей частотой.

OFDM препятствует этому посредством деления радиоканала на несколько поднесущих и параллельной передачи по ним данных (см. Рисунок 2). Совокупная пропускная способность оказывается в итоге той же самой, но скорость передачи данных по каждой из поднесущих получается много ниже, в результате длительность передачи каждого символа увеличивается, а это устраняет влияние непостоянной задержки. Однако реализация OFDM требует применения усилителей мощности с очень хорошими линейными характеристиками. Как следствие, продукты на базе HiperLAN2, скорее всего, будут стоить дороже своих менее скоростных аналогов.

В выделенном для использования в Европе диапазоне каждый канал HiperLAN будет занимать интервал в 20 МГц, общее же их число будет равно 19. Каждый из каналов будет разделен на 52 поднесущих — 48 для данных и 4 в качестве контрольных для обеспечения синхронизации. Синхронизация позволяет применять когерентную (синфазную) демодуляцию. Благодаря цифровой обработке сигналов, подканалы разделяются посредством математической обработки, а не в аналоговой области.

Сам по себе OFDM не описывает полностью физический уровень. Кроме того, оно оставляет в стороне вопрос кодирования данных и используемого в каждом из подканалов типа модуляции. Кодирование предусматривает последовательное упорядочение данных, а также прямое исправление ошибок (Forward Error Correction, FEC). В большинстве низкоскоростных локальных сетей FEC не используется, но HiperLAN2 имеет несколько уровней, каждый из которых обеспечивает защиту от определенного процента битовых ошибок.

Кроме того, в HiperLAN2 используется несколько типов модуляции. Посредством динамической адаптации FEC и модуляции в зависимости от меняющихся условий HiperLAN позволяет осуществлять передачу данных с более высокими скоростями, с сильным сигналом в сравнении с шумом, а также передавать данные с меньшей пропускной способностью при неблагоприятных условиях.

Следующий уровень — канальный. В HiperLAN канальный уровень предусматривает установление соединения, чем отличается от других технологий для локальных сетей. Прежде чем передавать данные, мобильный терминал обращается на канальном уровне к точке доступа для установления временного соединения. Такой подход позволяет согласовать параметры QoS, такие, как задержка и пропускная способность. Кроме того, он гарантирует, что другие терминалы не помешают следующей за тем передаче.

Для сравнения, мобильный терминал на базе IEEE 802.11 попытается осуществить передачу, как только радиоканал станет доступен, что может привести к коллизиям с другими терминалами. Следует, однако, упомянуть, что IEEE 802.11 не предусматривает специального механизма для поддержки таких синхронных приложений, как передача речи.

HiperLAN2 реализует QoS посредством введения квантов времени. Поддерживаемые параметры QoS включают пропускную способность, долю ошибок, задержку и ее вариацию. При первоначальном запросе на передачу данных мобильный терминал использует специально выделенные для произвольного доступа слоты времени. Коллизии с другими терминалами могут возникнуть только в этом канале, но ввиду краткости сообщений они не создают проблемы.

Для передачи точки доступа выделяют определенные слоты времени на заданное время в так называемых транспортных каналах. После этого мобильный терминал может передавать данные без помех со стороны других мобильных терминалов, работающих на этой же частоте. Контрольный канал обеспечивает обратную связь с отправителем, сообщая о наличии в полученных данных ошибок и необходимости их повторной передачи.

Над канальным уровнем находится уровень конвергенции. Он отвечает на запросы о предоставлении сервиса со стороны вышележащих уровней и соответствующим образом форматирует данные. Этот уровень поддерживает передачу в виде как пакетов (Ethernet), так и ячеек (ATM). В случае Ethernet уровень конвергенции оставляет кадры Ethernet без изменений, используя либо традиционную передачу по мере возможности, либо схему приоритетов IEEE 802.1p.

Кроме того, HiperLAN2 имеет функцию автоматического выделения частот (Automatic Frequency Allocation, AFA). Для охвата всей территории зоны покрытия точек доступа должны перекрываться. Зона покрытия составляет обычно 30 м внутри помещения и 150 м на открытом воздухе при отсутствии препятствий. Точки доступа следят за окружающими их радиоканалами и автоматически выбирают незанятый канал. Это исключает необходимость планирования частот и значительно упрощает практическую реализацию технологии.

При перемещении мобильного терминала из зоны покрытия одной точки доступа в зону другой, он инициирует процедуру передачи обслуживания новой точке доступа после детектирования более мощного сигнала на другом радиоканале. Новая точка доступа получает подробности о соединении мобильного терминала от прежней точки доступа.

Защита передачи в HiperLAN достигается посредством открытия сеанса (так называемой ассоциации) между мобильным терминалом и точкой доступа с обменом ключами по алгоритму Диффи-Хелмана для согласования секретных ключей с последующей взаимной аутентификацией с использованием секретного или, при наличии PKI, открытого ключа. Трафик шифруется с помощью DES или Triple DES.

С такими механизмами защиты связь по HiperLAN столь же, если не более, безопасна, как и по проводным локальным сетям.

BLUETOOTH

Если HiperLAN2 — это мощная технология для локальных сетей, то Bluetooth позволяет организовать взаимодействие между находящимися в непосредственной от пользователя близости устройствами.

Bluetooth вполне может стать значительной силой в отрасли. Ее главными преимуществами с коммерческой точки зрения являются чрезвычайно низкая цена (как рассчитывают разработчики, со временем она должна опуститься до 5 долларов на одно устройство) и прогнозируемая повсеместность (скоро она будет встраиваться в массу устройств).

Кроме того, Bluetooth пользуется широкой поддержкой со стороны отрасли — число членов Bluetooth Special Interest Group (SIG) перевалило за 1400. И, в отличие от других беспроводных технологий, у Bluetooth нет прямых конкурентов (помимо кабелей). Спецификация Bluetooth должна быть принята IEEE в качестве официального стандарта 802.15 на персональные сети (Personal Area Network, PAN).

Предоставляемые Bluetooth соединения принадлежат к совершенно новому типу: для гарнитур с сотовыми телефонами, для сотовых телефонов с компьютерами, для электронных портмоне с расчетно-кассовыми системами, для портативных компьютеров с Internet в аэропортах и гостиницах и т. д. и т. п.

В мире компьютеризованных электронных штучек Bluetooth не только будет незаменима, но и будет способствовать повышению привлекательности других технологий, таких, как передача данных по сотовой связи, благодаря упрощению их использования.

Технология Bluetooth разрабатывалась с учетом следующих критериев: она должна быть недорогой, умещаться на одной микросхеме размером 9х9 мм и встраиваться в самые разные устройства, как мобильные, так и стационарные. Однако Bluetooth рассчитана на попарное взаимодействие друг с другом небольшого числа устройств со средними скоростями, когда они находятся в непосредственной близости друг от друга.

Главный архитектурный элемент Bluetooth, пикосеть, может охватывать максимум восемь устройств. Одно устройство выделяется в качестве главного, остальные являются подчиненными. Связь инициируется главным устройством. Многие устройства могут, в зависимости от конфигурации, играть роль как главного, так и подчиненного.

На физическом уровне Bluetooth опирается на технологию передачи в размытом спектре с прыгающей частотой (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Благодаря использованию разных последовательностей частот несколько пикосетей смогут работать на одной территории, не мешая друг другу. Последовательность частот выбирается главным устройством, за секунду частота меняется 1600 раз. Это значительно чаще, чем в случае большинства беспроводных локальных сетей, где применяется данный метод передачи.

Контроль связи осуществляется главным устройством с помощью протокола опроса. Все взаимодействия происходят только между главным и подчиненным устройством, одно подчиненное устройство может обратиться к другому только при посредничестве главного. В рамках одной пикосети асинхронные данные могут передаваться со скоростью до 721 Кбит/с, при этом скорость в обратном направлении составляет 57,6 Кбит/с или 432,6 Кбит/с при симметричном взаимодействии. Одна пикосеть способна также поддерживать до трех голосовых каналов, каждый со скоростью 64 Кбит/с, однако использование всех трех голосовых каналов одновременно полностью загружает пикосеть.

Вместо отдельных частот для приема и передачи Bluetooth использует для этих целей одни и те же частоты за счет применения временного дуплексирования (Time Division Duplexing, TDD). Благодаря TDD, одно и то же устройство может без труда выступать в роли как главного, так и подчиненного. На самом деле, одно и то же устройство может быть главным в одной пикосети и подчиненным в другой.

Метод множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA) поддерживает как асинхронный, так и синхронный обмен информацией. Кванты времени выделяются главным устройством в зависимости от типа взаимодействия. Например, для синхронных голосовых каналов кванты времени должны выделяться через регулярные интервалы, в то время как пакеты с данными могут передаваться в свободные кванты времени. FEC и автоматический повтор запросов позволяют избавиться от ошибок.

Дальность действия составляет 10 м, это более чем достаточно как для персональных устройств, так и для устройств, принадлежащих другим людям. В целях ограничения «круга общения» определенными устройствами каждое из них имеет персональный идентификационный номер (Personal Identification Number, PIN). Пользователь может задать, с какими другими PIN могут взаимодействовать его устройства.

Ограничение в восемь устройств для одной пикосети выглядит чрезмерно жестким, однако сеть можно расширить за счет применения некоторых дополнительных механизмов. Хотя пикосеть может иметь только семь активных подчиненных устройств, однако еще 254 устройства могут находиться в «исходном» состоянии, осуществляя мониторинг сети в ожидании, когда им можно будет к ней присоединиться. Например, локальная сеть или точка доступа в Internet могут предоставить доступ устройствам, у которых имеются пакеты для передачи или которым требуется их передать; остальные же будут переведены в исходное состояние.

Кроме того, пикосети могут быть объединены в «разнесенную сеть» с поддержкой до 20 голосовых каналов, куда могут входить до восьми главных устройств пикосетей. Однако разнесенные сети (вкупе с предполагаемой эмуляцией локальной сети) могут чрезмерно усложнить технологию. Имеющаяся спецификация не рассчитана на решение таких сложных задач, как эмуляция локальной сети или объединение между собой так называемых разнесенных сетей.

Микросхемы Bluetooth должны появиться уже в этом году. Появления же первых продуктов можно ожидать к концу года, однако широкое распространение они получат не ранее 2002 г. Со временем Bluetooth может стать столь же привычной и распространенной, как радиотелефоны или пульты дистанционного управления.

HiperLAN и Bluetooth способны оказать огромное влияние на сетевые средства соединения, так что пользователи могут ожидать появления множества новых продуктов и услуг, которые избавят их от ограничений проводной инфраструктуры.

Ресурсы Internet