Материал: 6282

топологией Peer-to-Peer все сетевые устройства должны постоянно слушать эфир. Иначе говоря, полностью асинхронный и ничем не координированный режим как доступа, так и спячки, несовместим с алгоритмом CSMA/CA.

Сети с синхронизациейдоступа

Доступ к радиоканалу в сетях производится под командованием координатора, который периодически излучает сигналы маяков. Такие сети в стандарте названы сетями c

маяками (Beacon - enabled PAN).

В таких сетях доступ к радиоканалу и расписание «сна» сетевых устройств «привязаны» к сигналам маяков от координатора. На рис.18 приведена временная диаграмма возможного алгоритма предоставления доступа. Временной интервал между двумя сигналами маяков (Beacon Interval, BI) от координатора разбит на две части: активную и неактивную (Inactive). Во время неактивной части координатор и все остальные устройства могут «спать». Во время активной части координатор разрешает доступ проснувшимся сетевым устройствам. Активная часть (Active) носит название суперкадра (Superframe). Длительность суперкадра (Superframe Duration, SD) разделена на два интервала. Во время первого интервала (Contention Access Period, CAP) предоставляется доступ на конкурентной основе в соответствии с алгоритмом СSMA/CA. Во время второго интервала (Contention Free Period, CFP) предоставляется доступ с разведением во времени. При этом устройство получает доступ во время закреплённого за ним временного слота (Guaranteed Time Slot, GTS). На рис.18 изображены два таких интервала для разных устройств. Выделение устройству слота предоставляется координатором после предварительного запроса от устройства MAC командой, который делается во время интервала CAP.

Использование алгоритма CSMA /CA при наличии синхронизации имеет особенности, связанные с привязкой случайных параметров алгоритма к временным интервалам (слотам) CAP. Если в на текущем слоте CAP принимается решение о наличии свободного канала (несущая не обнаружена), то кадр данных передаётся в слоте, отстоящим от текущего по номеру на некоторое случайное целое число С1. Если было принято решение о том, что канал занят (несущая обнаружена), попытка передачи возобновляется на слоте, отстоящим по номеру от текущего на некоторое случайное целое число С2. По этой причине алгоритм носит название слотового CSMA /CA (slotted CSMA/CA) в противоположность рассмотренному выше не слотовому алгоритму

(unslotted CSMA/CA) в асинхронной сети.

Параметры синхронного доступа можно выбирать достаточно гибко в зависимости от требований на энергопотребление координатора, сетевых устройств, времени доставки информационных пакетов и достоверности доставки.

Период BI следования сигналов маяков может быть выбран в интервале от 5 мс до 252 с. Он рассчитывается по формуле BI= BImin*2B0,

где Bmin – минимальный период, B0 – число в интервале от 0 до 14. Выбор разумного значения BI позволяет экономить энергопотребление координатору.

Длительность суперкадра SI можно выбирать достаточно произвольно вплоть до величины BI. Очевидно, что с ростом SI растёт и достоверность доставки данных при использовании алгоритма СSMA/CA и заданном времени доставки. Платой за эту возможность является рост энергопотребления сетевых устройств.

Рис. 8.18. Временная диаграмма при синхронном доступе.

Длительность суперкадра можно перераспределять между CAP и CFP. Для этого суперкадр поделен на 16 тактовых интервалов (рис.8.18). Для CFP может быть отведено до 7 последних интервалов. Возможность перераспределения длительности между CAP и CFP удобна для построения сетей, в которых устройства могут передавать несколько типов сообщений. Для примера, в охранных системах к таким сообщениям относятся сигналы мониторинга от охраняемых объектов, сообщения о постановке на охрану, сообщения о взятии на охрану и, наконец, сигналы тревоги. Для подобных систем можно выбрать параметры рассмотренного алгоритма доступа в зависимости от числа объектов в сети и требований к вероятностям доставки информационных пакетов.

Наконец, длительность слота GTS может состоять из нескольких тактовых интервалов. При отсутствии необходимости у устройства в GTS оно сообщает об этом координатору и он увеличивает CAP, предоставляя больший временный интервал доступа на конкурентной основе с использованием алгоритма СSMA/CA. Эту операцию можно интерпретировать как дефрагментацию суперкадра. Для примера, на рис.8.19 приведена дефрагментация при удалении интервала GTS2 из CFP.

Рис. 8.19. Дефрагментация суперкадра при синхронном доступе.

Итак, стандарт IEEE 802.15.4 является весьма гибким в выборе параметров и позволяет создавать сети, ориентированные как на низкое автономное питание сетевых узлов, так и спонтанно образуемую топологию.

Трансиверы

На рынке трансиверов стандарта IEEE 802.15.4 лидирующие позиции занимают тандем компаний Chipcon и Ember и компания Freescale – отделение компании Motorola по разработке полупроводниковых приборов.

Результатом объедения компаний ChipCon и EMber явилось одно техническое решение трансивера 2420. Микросхемы имеют аббревиатуры СС или EM в зависимости от завода изготовителя. Трансивер позволяет использовать контроллер вместе с программным обеспечением стека протоколов ZigBee.

В конце 2005 года компания Chipcon объявила о выпуске двух изделий СС2430 и CC2431 – однокристальных систем (System-on-Chip, SoC) 802.15.4/ZigBee, не требующих контроллера. В систему CC2431 дополнительно встроена радиометка (Radio Frequency IDentification, RFID) – миниатюрный приёмо-передатчик с антенной. Компания Ember также объявила о выпуске SoC EM250.

Компания Freescale выпускает трансивер МС13193, позволяющий использовать программное обеспечение стека протоколов ZigBee. Трансиверы МС13191/2 предполагает разработку сетевого уровня разработчиком сети.

9.СТАНДАРТЫ ГОРОДСКИХ СЕТЕЙ ШИРОКОПОЛОСНОГО РАДИОДОСТУПА IEEE 802.16 (WiMAX)

Любому пользователю компьютера в идеале хочется мгновенно перекачивать из Интернета на свой ПК все, что заблагорассудится. Телефонный модем позволяет делать это со скоростью около 10 Кб/c, выделенная линия – в несколько сотен Кб/с и только широкополосный доступ позволяет приблизиться к вожделенным Мб/с, которые дают надеяться на просмотр кинофильмов и прочих мультимедийных удовольствий.

Широкополосным доступом в Интернет можно пользоваться уже несколько лет, но он пока недоступен большинству пользователей. На конец 2002 года во всем мире (по данным InStat/MDR) есть около 46 млн. пользователей, больше всего их в США, но и здесь - лишь 17% домов имеют такую возможность. Что же мешает активному распространению широкополосного доступа? Проблема в том, что способы доведения такого доступа до пользователей - DSL или кабельное соединение - имеют ограниченные возможности, поскольку не всегда у пользователей есть кабельное или DSLоборудование, а кроме того, эти услуги недешевы. Чаще всего они доступны лишь в центрах крупных городов. Корпорация Intel активно работает над новой беспроводной технологией, которая может стать реальной заменой DSL и кабелю и решить проблему «последней мили» в больших городах.

Стандарт беспроводной связи IEEE 802.16 изначально был задуман для организации работы беспроводных сетей на больших городских территориях, он еще называется IEEE WirelessMAN (Metropolitan area network - сеть для городских регионов).

Именно этот беспроводной широкополосный доступ и может стать столь необходимым средством “последней мили” в крупных городах.

Широкополосный беспроводной доступ лишен недостатков, присущих DSL и кабельным соединениям. Его проще разворачивать, увеличивать площадь покрытия, он более гибок. Сети IEEE 802.16 очень похожи на традиционные сети мобильной связи: здесь тоже есть базовые станции, которые действуют в радиусе нескольких километров (до 50 км), при этом их не обязательно устанавливать на вышках - для них вполне подходят крыши домов, водонапорные башни или элеваторы. Оборудование пользователя

аналогично обычному набору для спутникового телевидения, с его помощью будет осуществляться соединение с базовой станцией.

Стандарт IEEE 802.16 предоставляет бизнесу и домашним пользователям новый и, что очень важно, быстрый способ получить широкополосный доступ к информации. Кроме всех прочих преимуществ, связь через IEEE 802.16 может реализоваться и через совместимое оборудование, например, через точки доступа IEEE 802.11.

История стандарта IEEE 802.16 ведется с 2001 года, когда, собственно, и была начата активная работа по созданию нового беспроводного стандарта широкополосной связи. В декабре 2001 года была принята первая версия стандарта IEEE 802.16-2001, который изначально предусматривал рабочую полосу частоты 10-66 ГГц.

Данный стандарт описывал организацию широкополосной беспроводной связи с топологией «точка-многоточие» и был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса (Metropolitan Area Network, MAN). Именно поэтому данный стандарт получил также название WirelessMAN. На физическом уровне стандарт IEEE 802.16-2001 предполагал использование всего одной несущей частоты (Single-Carrier, SC), вследствие чего в название протокола добавили буквы SC, то есть

WirelessMAN-SC.

Организация связи в частотном диапазоне 10 - 66 ГГц возможна только в зоне прямой видимости между передатчиком и приемником сигнала из-за быстрого затухания коротких длин волн. Это было одной из особенностей протокола WirelessMAN-SC. Однако частотный диапазон с такими характеристиками (то есть с требованием прямой видимости приемника и передатчика и невозможностью работы на отражениях) позволял избежать одной из главных проблем радиосвязи — многолучевого распространения сигнала. Ширина каналов связи, которые могут быть применены в этом частотном диапазоне, является достаточно большой (типичное значение — 25 или 28 МГц), что позволяет достигать высокой (порядка 120 Мбит/с) скорости передачи данных.

Необходимость построения беспроводной сети только в зоне прямой видимости привела к тому, что устройства стандарта IEEE 802.16 так и не получили широкого распространения. Поэтому несколько позднее, в январе 2003 года, было принято расширение стандарта IEEE 802.16, получившее наименование IEEE 802.16a-2003. Оно предусматривало использование частотного диапазона от 2 до 11 ГГц. Этот стандарт также был ориентирован на создание стационарных беспроводных сетей масштаба мегаполиса. Предполагалось, что данный стандарт станет альтернативой традиционным решениям широкополосного доступа для последней мили — кабельным модемам, xDSL

иканалам Т1/Е1. Кроме того, сети стандарта IEEE 802.16a планировалось применять в качестве дополнительной технологии для подсоединения точек доступа стандарта IEEE

802.11b/g/a к Интернету.

Основным отличием стандарта IEEE 802.16a от базового стандарта 802.16 было использование другого частотного диапазона, который не требует прямой видимости между приемником и передатчиком. Зона покрытия таких беспроводных сетей значительно шире, чем сетей стандарта IEEE 802.16. Опуская пока детали протокола IEEE 802.16a, отметим лишь, что использование частотного диапазона 2-11 ГГц потребовало

исущественного пересмотра техники кодирования и модуляции сигнала на физическом уровне.

Логическим продолжением стандарта IEEE 802.16a стал стандарт IEEE 802.16d, который предусматривал возможность реализации фиксированного доступа внутри помещений.

Окончательно стандарт IEEE 802.16d был принят в июле 2004 года и получил название IEEE 802.16-2004, после чего необходимость рассмотрения отдельных стандартов, то есть IEEE 802.16d и IEEE 802.16a, отпала, поскольку окончательная версия стандарта вобрала в себя и стандарт IEEE 802.16d, и IEEE 802.16a.

В настоящее время на стадии разработки находится стандарт IEEE 802.16е, который рассматривает вопросы роуминга между сетями различных беспроводных стандартов, чтобы пользователь без ущерба для сеанса связи мог переходить из беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 в сети IEEE 802.16 и обратно.

Решение вопросов роуминга представляется весьма важным для дальнейшего продвижения беспроводных технологий. Сегодня пользователи сетей стандарта IEEE 802.11 могут пользоваться услугами беспроводного доступа, только находясь на территории хот-спота, или зоны доступа. Покидая такую зону, они теряют возможность соединения. С помощью технологии IEEE 802.16e пользователи получат возможность оптимального соединения: посредством IEEE 802.11 — находясь в пределах соответствующего хот-спота, посредством IEEE 802.16 — находясь в зоне действия городской сети WMAN.

Если протокол IEEE 802.16 — это протокол операторского класса, то протокол IEEE 802.16e ориентирован на конечных пользователей, причем мобильных, и в этом смысле он представляет собой альтернативу стандартам IEEE 802.11a/b/g. По мнению экспертов Intel, в недалеком будущем пользователь, имея ноутбук или КПК со встроенными возможностями стандарта IEEE 802.16e, сможет постоянно оставаться на связи в любой точке города. Мало того, принятие IEEE 802.16 в качестве общеевропейского стандарта позволит активным путешественникам пользоваться роумингом по всей Европе.

История показывает, что одобрение стандарта компетентными организациями не всегда приводит к принятию технологии целевым рынком. Для этого необходимо, чтобы продукты были сертифицированы на их соответствие стандарту, а затем протестированы на взаимодействие. Последнее означает, что конечный пользователь может купить устройство с необходимыми ему характеристиками у того производителя, который ему нравится, и быть уверенным, что оно совместимо с другими сертифицированными продуктами. IEEE подобной деятельностью не занимается, предоставляя ее индустрии. В случае семейства стандартов IEEE 802.11 такую роль играет Wi-Fi Alliance. Для группы стандартов IEEE 802.16 подобную роль играет Worldwide Interoperability for Microwave

Access Forum, сокращенно WiMAX Forum — некоммерческая организация, образованная по инициативе корпорации Intel с участием ведущих производителей телекоммуникационного оборудования (Airspan Networks, Alvarion Ltd, Aperto Networks,

Fujitsu Microelectronics America, Intel, OFDM Forum, Proxim Corporation, Wi-LAN, Inc.

и др.).

Целью организации WiMAX является содействие разработке беспроводного оборудования для доступа к широкополосным сетям, скорейшее развертывание сетей во всем мире, сертификация оборудования IEEE 802.16, а также подготовка спецификаций, призванных обеспечить совместимость оборудования разных производителей. По данным аналитиков, члены WiMAX представляют собой более 75% рынка производителей оборудования широкополосного беспроводного доступа. Поэтому часто по аналогии с тем, как WLAN IEEE 802.11 называют Wi-Fi, для сетей WMAN IEEE 802.16 используют название WiMAX. Рассмотрим несколько детальнее особенности этой технологии.

Структура сетей WiMAX.

Стандарт покрывает диапазон частот от 2 до 11 ГГц. Стабильность частоты должна лежать в пределах ±10-6. Базовая станция (BS), следующая стандарту IEEE 802.16, размещается в здании или на вышке и осуществляет связь со станциями клиентов (SS - Subscriber Station) по схеме точка-мультиточка (PMP). Возможен сеточный режим связи (Mesh - сетка связей точка-точка - PTP), когда любые клиенты (SS) могут осуществлять связь между собой непосредственно, а антенные системы, как правило, являются всенаправленными. Базовая станция предоставляет соединение с основной сетью и