Беспроводные технологии передачи данных. Беспроводные сети для IoT и М2М. Основные механизмы передачи данных

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Беспроводные системы передачи данных

Введение

В настоящее время широкое распространение в большинстве сфер общества получили системы беспроводной передачи данных.

Таким вниманием они обязаны:

· Низкой стоимостью

· Мобильностью

· Независимостью от кабельной инфраструктуры

· Высокоскоростным доступом к сети Интернет

· Простотой подключения и использования

Развитие беспроводных систем доступа идет в трех основных направлениях:

1. Спутниковые системы

2. Системы персональной сотовой связи

3. Наземные СВЧ-системы

Каждое из этих средств имеет свои преимущества и недостатки. Беспроводные сети эффективнее всего при передаче данных на расстояние нескольких сот метров.

1. Эволюция беспроводных сетей

Еще совсем недавно, мобильные телефоны были действительно телефонами, а не смартфонами как сейчас. Эти «древние» аппараты могли поддерживать минимальный набор функций, например, осуществлять только звонки и отправлять текстовые сообщения. Хорошо, что те дни уже позади и по всему миру стали активно проявлять перспективные беспроводные высокоскоростные сети передачи данных нового поколения, и некоторые вещи начинают казаться запутанными. Отметим для начала, что приставка «G» означает «поколение» (от англ. generation).

1.1 1G

История начинается с появления в 80-х годах прошлого столетия нескольких сетевых технологий: сочетания NMT и TACS в Европе и AMPS в США. Тройка NMT, TACS и AMPS считается первым поколением беспроводной сети 1G, потому, что именно эти технологии позволили мобильным телефонам, в том виде, в котором мы их сейчас видим, стать массовым продуктом. В те времена и в голову никому не приходила услуга передачи данных так как это были чисто аналоговые системы, придуманные и спроектированные исключительно для голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Так же скорость передачи данных была низкой и дорогостоящей.

1.2 2G

В начале 1990-х годов наблюдается подъем первых цифровых сотовых сетей, которые имели более высокое качество звука, повышенную производительность, большую защищенность и др. GSM начал свое развитие в Европе.

Второе поколение беспроводной сети 2G уже имело поддержку передачи коротких текстовых сообщений (SMS), а также технологию передачи данных (CSD - технология передачи данных, разработанная для мобильных телефонов стандарта GSM), которая позволяла передавать данные в цифровом виде. Все это позволило увеличить скорость передачи данных до 14,4 кбит/с.

1.3 2.5G

В 1997 году появился сервис GPRS. Его появление стало переломным моментом в истории беспроводной сотовой связи, потому что с его появлением существующие GSM-сети начали поддерживать непрерывную передачу данных. С использованием GPRS, вы можете осуществлять передачу данных только когда это необходимо. Скорость GPRS была больше скорости CSD и теоретически достигала 171,2 кбит/с, а операторы получили возможность взымать плату не за время на линии, а за трафик.

Скачок популярности GPRS за такое короткое время объясняется тем что, люди стали активно проверять свои почтовые ящики. Когда технология GPRS уже была на рынке, Международный союз электросвязи (ITU) опубликовал новый стандарт - IMT-2000 утверждающий спецификации 3G. Главным в этой истории является то, что 3G устройства должны обеспечивать скорость передачи данных до 2 Мбит/с для стационарных терминалов и 384 кбит/с для беспроводных сетей, что было не под силу GPRS. Таким образом, GPRS застрял между поколениями, 2G - которое он превосходил, и 3G - до которого не дотягивал.

1.4 3G, 3.5G, 3.75G

В 2003 году в Северной Америке впервые был предоставлен стандарт EDGE. Этот стандарт позволял операторам GSM-сетей выжать дополнительные соки из 2.5G сетей, не вкладывая большие деньги в модернизацию оборудования. С помощью мобильного телефона, поддерживающего EDGE, абоненты могли получать скорость, в два раза превышающую GPRS, что вполне неплохо для того времени.

В 2004 году GSM-операторы Северной Америки поддержали EDGE. Это произошло из-за появления сильного соперника CDMA2000. Он обеспечивает скорость передачи данных чуть большую скорости GPRS. Большинство других GSM-операторов рассматривали в качестве следующего шага развития технологию UMTS, поэтому предпочли либо пропустить внедрение EDGE. Однако, как показала практика, высокая стоимость и объём работ по внедрению UMTS заставили некоторых европейских операторов пересмотреть свой взгляд на EDGE как на целесообразный.

Спустя некоторое время, беспроводные сети CDMA2000 получили обновление 1x EV-DO Rel.0. Обновление позволило увеличить входящую скорость до 2,4 Мбит/с и исходящую скорость до 153 кбит/с. Таким образом, мы получили 3.5G.

Переходное поколение 3.5G представлено стандартом HSDPA.

Для сотовых сетей сегодня существует несколько протоколов, увеличивающих скорость передачи данных. Однако фактически ни один из них не способен экономить ресурсы мобильной сети, что делает такой трафик дорогим и неэффективным. Задуманный ведущими производителями инфраструктурного оборудования мобильной связи протокол HSDPA призван повысить производительность сети именно за счет более эффективного использования радиоканала, в частности сокращением задержек при передаче пакетов. Технология HSDPA не несет в себе ничего нового, но изменяет представление пользователя о мобильных сетях передачи данных третьего поколения.

HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access - высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) - стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях - около 3 Мбит/сек.

1.5 4G

Также, как и 3G ITU взяла под свой контроль 4G, привязав его к спецификации IMT-Advanced. Спецификация устанавливает скорость входящих данных в 1 Гбит/с для стационарных терминалов и 100 Мбит/с для мобильных аппаратов. Это действительно огромные скорости, которые могут обогнать даже прямое подключение к широкополосному каналу.

Ни один коммерческий стандарт не соответствует этим спецификациям, но так сложилось, что технологии WiMAX и LTE, считаются 4G технологиями, но это верно лишь отчасти, так как они оба используют новые, чрезвычайно эффективные схемы мультиплексирования, и в них обоих отсутствует канал для передачи голоса. Мы можем с уверенность утверждать, что 100% их пропускной способности используется для услуг передачи данных.

Как показала практика, WiMAX и LTE потерпели неудачу в скорости передачи данных. Теоретически значения скорости находятся на уровне 40 Мбит/с и 100 Мбит/с, а практически, реальные скорости коммерческих сетей не превышают 4 Мбит/с и 30 Мбит/с соответственно. Данный факт не удовлетворяет высоким требованиям IMT-Advanced. Лишь обновление стандартов до WiMAX Release 2 и LTE-Advanced смогли достичь этих скоростей.

1.6 5G

Ещё далеко не во всех крупных городах развёрнуты сети четвёртого поколения LTE, а телекоммуникационные компании уже вовсю строят планы в отношении сервисов пятого поколения (5G). К примеру, японская NTT DoCoMo полагает, что запуск таких сетей станет возможен в 2020 году: по сравнению с LTE они обеспечат стократное увеличение скорости передачи данных и тысячекратный рост пропускной способности.

Исследователи из Технического университета Чалмерса (Швеция) рассказали, какие инфраструктурные изменения могут потребоваться при внедрении 5G-технологий.

Для начала немного статистики. В 2012 году количество сотовых абонентов -- владельцев смартфонов составляло 1,2 млрд. К 2018-му их число, по прогнозам, вырастет до 4,5 млрд. Мобильный трафик в период между первыми кварталами 2012-го и 2013-го увеличился вдвое, а к концу 2018-го подскочит ещё в 12 раз.

Понятно, что рост числа мобильных устройств с веб-подключением приведёт к резкому повышению нагрузки на каналы передачи данных и породит потребность в увеличении скорости. Решением проблемы как раз и должны стать сети 5G.

Исследователи выделяют пять основных направлений в сценарии развития систем связи следующего поколения. Это многократное увеличение скорости по сравнению с 4G/LTE, возможность предоставления качественных услуг даже в самых густонаселённых районах, поддержание стабильной связи с большим количеством устройств с веб-подключением (речь идёт об «Интернете вещей»), высокое качество сервисов для конечных пользователей и минимальные задержки.

В начале года Еврокомиссия выделила €50 млн на исследования, касающиеся мобильной связи пятого поколения. Гранты предоставляются научным организациям и учёным, занимающимся технологиями коммуникаций. К примеру, участники проекта METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society), в котором задействован Технический университет Чалмерса, получили €16 млн.

В METIS уже определены основные требования, которым должны удовлетворять 5G-сети:

1. Рост скорости передачи данных в 10-100 раз в расчёте на абонента -- до 1-10 Гбит/с.

2. Рост потребляемого трафика в 1 000 раз -- до 500 Гб на пользователя в месяц.

3. Увеличение количества подключённых устройств в 10-100 раз.

4. Десятикратное увеличение времени автономной работы устройств с небольшим энергопотреблением, таких как сенсоры.

5. Сокращение времени реакции систем до 5 мс и менее.

6. Сохранение прежних стоимости эксплуатации и энергетических затрат.

Одним из предлагаемых способов решения обозначенных проблем называется установка небольших маломощных базовых станций в домах, на фонарях уличного освещения и даже на автомобилях и общественном транспорте. Это позволит сократить расстояние между передатчиком информации и конечным пользователем и, следовательно, повысит эффективность работы основных базовых станций и увеличит скорость передачи данных.

Кроме того, уплотнение инфраструктуры базовых станций уменьшит интенсивность излучения и улучшит энергетическую эффективность всех без исключения устройств за счёт снижения мощности сигнала.

По сути, говорят исследователи, сети пятого поколения создадут основу для интеллектуального сообщества, в котором люди и устройства смогут обмениваться данными в любом месте и в любое время.

2. Классификация беспроводных технологий

Существуют различные способы классификации беспроводных технологий

2.1 По дальности действия

Рисунок 1 - классификация беспроводных технологий по дальности действия

Персональные беспроводные сети

Беспроводные персональные сети( WPAN)-сети, используемые для связи различных устройств. Радиус действия WPAN может достигать нескольких метров.

Локальные беспроводные сети(WLAN)

В такой сети передача данных осуществляется через радиоэфир. Наиболее распространенные представители такой сети - это Wi-Fi и WiMAX.

Глобальные беспроводные сети(WWAN)

WWAN отличается от WLAN тем, что в них используются технологии сотовой связи, такие как GSP и GPRS.

Сети масштаба города(WMAN)

Такие сети предоставляет широкополосный доступ к сети через радиоканал.

По топологии

Сети «точка-точка»

Сеть из точки в точку - самый простой вид компьютерной сети, при котором два компьютера связываются через коммуникационное оборудование.

Сети «точка-многоточка»

Такие сети используются для объединения трех и более объектов.

2.2 По области применения

2.2.1 Корпоративные сети

Корпоративная сеть передачи данных - это система, обеспечивающая передачу информации между различными объектами, которые используются в системе корпорации. Они создаются компаниями для собственных нужд.

2.2.2 Операторские сети

Операторскими сетями называются такие сети, которые создаются операторами связи для возмездного оказания услуг.

3. Наиболее распространенные беспроводные сети передачи данных

3.1 Bluetooth

Самым ярким примером беспроводных персональных сетей является Bluetooth. Он обеспечивает передачу данных между персональными устройствами, такими как ноутбуки, смартфоны, планшетные компьютеры и т.д.

Bluetooth - спецификация сетей WPAN. Являясь беспроводной персональной сетью, Bluetooth связывает в одно целое личные устройства (ноутбуки, мобильные телефоны, мышки, наушники, GPS адаптеры и т.д.). Работает в диапазоне частот 2.4 ГГц, расстояние в зависимости от класса сети может составлять от одного до ста метров.

Версии Bloetooth:

· Bluetooth 1.0, 1.1, 1.2, 2.0, 2.1. Эти спецификации являются устаревшими и не встраиваются в новые устройства. Интерес представляют другие, более современные варианты.

· Bluetooth 2.1 + EDR (Enhanced Data Rate). Скорость передачи данных до 2.1 МБит/c.

· Bluetooth 3.0 + HS (High Speed). Включает в себя две подсистемы - для высокой скорости (теоретический максимум 24 МБит/c) и для низкого энергопотребления (до 3 Мбит/с). Переключение происходит автоматически в зависимости от потребностей.

· Bluetooth 4.0. Добавлена спецификация Bluetooth low energy (с низким энергопотреблением). Предназначена для небольших сенсоров (например, в обуви, тренажерах), время работы от батарейки у таких может достигать нескольких лет. Пиковая скорость передачи до 1 Мбит/c.

Разные устройства могут поддерживать всевозможные расширения протокола, которые называются профилями. Пользователю наибольший интерес представляют следующие профили:

· A2DP (Advanced Audio Distribution Profile). Предназначен для передачи стереозвука (например в наушники). Есть версия для приемника и передатчика. Устройства с A2DP могут поддерживать всевозможные кодеки, например MP3, AAC и т.д.

· File Transfer Profile (FTP_profile). Передача файлов, просмотр списка директории.

· HID (Human Interface Device Profile). Поддержка устройств ввода - мышки, клавиатуры, джойстики. Требует меньше энергии.

3.1.1 Принцип действия

Принцип действия Bluetooth основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне 2,4-2,4835 ГГц(ISM-диапазон). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты(FHSS).

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 микросекунд синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения.

Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка», но и «точка-многоточка»

3.1.2 Преимущества

Bluetooth не требует прямой видимости между устройствами для синхронизации. Это означает, что устройства не обязательно должны быть обращены друг к другу, и также можно осуществлять передачу, когда оба устройства находятся в отдельных комнатах. Тот факт, что эта технология не требует проводов и кабелей сделало ее столь популярной. Максимальная дальность, передачи через Bluetooth составляет 100 метров, но этот диапазон, не одинаков для всех соединений Bluetooth. Это зависит от характеристики устройства и его версии.

Одно из главных преимуществ Bluetooth является его простота в использовании. Любой может понять, как настроить соединение и синхронизацию двух устройств. Кроме того, технология абсолютно бесплатна для использования. В версии Bluetooth 2.0 появилась поддержка multi-cast, то есть одновременная отправка данных на несколько устройств.Шанс на вмешательство других беспроводных сетей в сети Bluetooth очень низка. Это из-за малой мощности беспроводных сигналов и скачкообразной перестройки частоты. Bluetooth работает в том же частотном диапазоне, что и Wi-Fi 2.4 Ггц. В некоторых, очень редких случаях соединения могут конфликтовать друг с другом.

3.1.3 Недостатки

Главным недостатком Bluetooth является низкая степень защиты. Сейчас существует множество хакерских программ - шпионов, позволяющих влезть к Вам в устройство если в нем включен Bluetooth.Износ батареи в течение одной передачи через Bluetooth не значительна, но есть некоторые люди, которые оставляют Bluetooth включенным в своих устройствах. Это неизбежно, значительно снижает срок службы батареи.

3.2 Wi-Fi

Wi-Fi - беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.11.

Рисунок 3 - логотип Wi-Fi

Стандарты Wi-Fi:

1. IEEE 802.11b - описывает более быстрые скорости передачи и вводит больше технологических ограничений. Этот стандарт широко продвигался со стороны WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) и изначально назывался Wi-Fi. Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Ратифицирован в 1999 году. Используемая радиочастотная технология: DSSS. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps

2. IEEE 802.11a - описывает значительно более высокие скорости передачи чем 11b. Используются частотные каналы в спектре 5GHz. Используемая радиочастотная технология: OFDM.Протокол Не совместим с 802.11b. Ратифицирован в 1999 году. Максимальные скорости передачи данных в канале: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps.

3. IEEE 802.11g - описывает скорости передачи данных эквивалентные 11а. Используются частотные каналы в спектре 2.4GHz. Протокол совместим с 11b. Ратифицирован в 2003 году. Используемые радиочастотные технологии: DSSS и OFDM. Максимальные скорости передачи данных в канале: 1, 2, 5.5, 11 Mbps на DSSS и 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbps на OFDM.

4. IEEE 802.11n - самый передовой коммерческий Wi-Fi стандарт, на данный момент. Используются частотные каналы в спектрах 2.4GHz и 5GHz. Совместим с 11b/11a/11g. Хотя рекомендуется строить сети с ориентацией только на 11n, так как требуется конфигурирование специальных защитных режимов при необходимости обратной совместимости с устаревшими стандартами. Это ведет к большому приросту сигнальной информации и существенному снижению доступной полезной производительности радиоинтерфейса. Собственно, даже один клиент 11g или 11b потребует специальной настройки всей сети и мгновенной ее существенной деградации в части аггрегированной производительности. Сам стандарт 802.11n вышел 11 сентября 2009 года. Поддерживаются частотные каналы шириной 20MHz и 40MHz (2x20MHz). Используемая радиочастотная технология: OFDM.

3.2.1 Принцип работы Wi-Fi

Обычно схема Wi-Fi сети содержит минимум минимум одного клиента и одну точку доступа. Также в режиме точка-точка, когда не используется точка доступа, а клиенты напрямую соединяются сетевыми адаптерами, возможно подключение двух клиентов. На скоости 0,1 Мбит/с точка доступа передаёт свой идентификатор сети с помощью специальных сигнальных пакетов каждые 100 миллисекунд. Поэтому 0,1 Мбит/с -- наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная идентификатор сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными идентификаторами сети приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала.

3.2.2 Преимущества

Возможность развернуть сеть без прокладки кабеля, что уменьшает стоимость развёртывания и расширения сети. Беспроводными сетями обслуживаются места, где нельзя проложить кабель

Позволяет иметь доступ к сети мобильным устройствам.

Широкое распространение на рынке. Гарантия совместимости оборудования благодаря обязательной сертификации оборудования данной марки.

Мобильность.

В Wi-Fi зоне в сеть Интернет могут выходить несколько пользователей с портативных устройств и компьютеров.

Излучение от устройств, использующих Wi-Fi, в момент передачи данных в 10 раз меньше излучения сотового телефона.

3.2.3 Недостатки

В диапазоне 2,4 ГГц работает множество устройств, поддерживающих другие виды беспроводных сетей, которые ухудшают электромагнитную совместимость.

Стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости алгоритма). Существует шифрование WPA(2), но в режиме точка-точка стандарт предписывает лишь реализовать скорость 11 Мбит/сек (802.11b). Шифрование WPA(2) недоступно, только легковзламываемый WEP.

3.3 WiMAX

Телекоммуникационная технология, основанная на стандарте IEEE 802.16, который еще называют Wireless MAN.

3.3.1 Принцип действия

WiMAX сети состоят из нескольких частей- базовых и абонентских станций, а также оборудования, которое связывает базовые станции.

Базовые и абонентские станции связываются с использованием радиоволн в диапазоне 1,5-11 ГГц. Обмен данными может происходить со скоростью 70 Мбит/с.

Базовые станции связываются соединениями прямой видимости на частоте 10-66 ГГц, а скорость обмена данными достигает 120Мбит/с.

3.3.2 Преимущества

Технологии WiMAX помогут организовать беспроводной доступ на всей территории населенных пунктов, способствуя решению проблемы "последней мили", а также сокращению финансовых затрат на новые подключения. Если сейчас подключение одного объекта может длиться до нескольких месяцев, то с решениями на базе WiMAX этот процесс сократится до нескольких часов или дней. Экономия на организации, прокладке и эксплуатации структурированных кабельных сетей (СКС), а также скорость установки и подключения оборудования позволят заметно сократить инвестиции в телеком-инфраструктуру. Технологии WiMAX предусматривают не только передачу голоса, но и любых данных, в том числе организацию видеоконференций, доступ в интернет, корпоративные сети и базы данных. Проблемой в использовании технологии WiMAX является достаточно низкая защищенность информации, передаваемой по радиоканалам. Сейчас этот вопрос решается производителями соответствующего оборудования. Тем не менее, технология WiMAX может широко использоваться при организации корпоративных сетей передачи данных.

3.3.3 Недостатки

Погодные условия и другие беспроводные системы могут помешать нормальному функционированию радиодоступа, для работы могут быть использованы совершенно разные диапазоны частот, скорость передачи данных быстро падает с увеличением расстояния между базовой станцией и клиентским оборудованием, аппаратура требовательна к электропитанию и потребляет довольно большую мощность.

3.4 GPRS

3.4.1 Принцип работы

При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через голосовые каналы, которые не используются в данный момент. Приоритет передачи (голосовой трафик или передача данных) выбирает оператор связи.

3.4.2 Преимущества и недостатки

Преимуществами GPRS являются возможность подключения к интернету, находясь в любой точке планеты, где есть сотовая связь, высокая скорость передачи данных, позволяющая быстро организовывать соединения с Сетью Интернет и работать с комфортом, компактность и мобильность.

Недостатками GPRS являются чересчур высокая стоимость одного Мб информации и самая низкая скорость доступа.

Заключение

беспроводный сеть связь

В настоящее время беспроводные системы передачи данных являются неотъемлемой частью жизни каждого человека. Беспроводные сети совершенствуются с каждым годом все быстрее и быстрее, технические характеристики систем улучшаются в разы.

Улучшение беспроводных систем передачи данных может спровоцировать развитие таких технологий, как облачные накопители. Если скорость обмена данными будет очень высокая, может исчезнуть необходимость в жестких накопителях.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Исследование и анализ беспроводных сетей передачи данных. Беспроводная связь технологии wi–fi. Технология ближней беспроводной радиосвязи bluetooth. Пропускная способность беспроводных сетей. Алгоритмы альтернативной маршрутизации в беспроводных сетях.

курсовая работа , добавлен 19.01.2015

История появления сотовой связи, ее принцип действия и функции. Принцип работы Wi-Fi - торговой марки Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Функциональная схема сети сотовой подвижной связи. Преимущества и недостатки сети.

реферат , добавлен 15.05.2015

Общие понятия о беспроводных локальных сетях, изучение их характеристик и основных классификаций. Применение беспроводных линий связи. Преимущества беспроводных коммуникаций. Диапазоны электромагнитного спектра, распространение электромагнитных волн.

курсовая работа , добавлен 18.06.2014

Характеристика современного состояния цифровых широкополосных сетей передачи данных, особенности их применения для передачи телеметрической информации от специальных объектов. Принципы построения и расчета сетей с использованием технологий Wi-Fi и WiMax.

дипломная работа , добавлен 01.06.2010

Принцип действия беспроводных сетей и устройств, их уязвимость и основные угрозы. Средства защиты информации беспроводных сетей; режимы WEP, WPA и WPA-PSK. Настройка безопасности в сети при использовании систем обнаружения вторжения на примере Kismet.

курсовая работа , добавлен 28.12.2017

Перспективы мобильности беспроводных сетей связи. Диапазон частот радиосвязи. Возможности и ограничения телевизионных каналов. Расчет принимаемого антенной сигнала. Многоканальные системы радиосвязи. Структурные схемы радиопередатчика и приемника.

презентация , добавлен 20.10.2014

Изучение особенностей беспроводных сетей, предоставление услуг связи вне зависимости от места и времени. Процесс использования оптического спектра широкого диапазона как среды для передачи информации в закрытых беспроводных коммуникационных системах.

статья , добавлен 28.01.2016

Понятие сетей передачи данных, их виды и классификация. Оптико-волоконные и волоконно-коаксиальные сети. Использование витой пары и абонентских телефонных проводов для передачи данных. Спутниковые системы доступа. Сети персональной сотовой связи.

реферат , добавлен 15.01.2015

Понятие беспроводной связи, организация доступа к сети связи, к интернету. Классификация беспроводных сетей: спутниковые сотовые модемы, инфракрасные каналы, радиорелейная связь, Bluetooth. WI-FI - технология передачи данных по радиоканалу, преимущества.

реферат , добавлен 06.06.2012

Что такое ТСР? Принцип построения транкинговых сетей. Услуги сетей тракинговой связи. Технология Bluetooth - как способ беспроводной передачи информации. Некоторые аспекты практического применения технологии Bluetooth. Анализ беспроводных технологий.

Олег Иванин для сайт

Технологии беспроводной связи сегодня переживают подлинный бум развития. В основном это связано с прочным входом в нашу жизнь смартфонов, планшетных и мобильных компьютеров, которые, в том числе, могут служить универсальными пультами диспетчеризации АСУ ТП, при условии постоянного доступа к сети Интернет, вне зависимости от того, перемещается ли терминал в пространстве. Кроме того, в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, в военной сфере назревает необходимость в организации надежных систем управления распределенными объектами и объединение их в глобальную сеть. Подобные тенденции наблюдаются во всем мире и ведут к неминуемому развитию беспроводных технологий связи.

Системы АСУ ТП, которые зачастую являются распределенными, характеризуются в настоящее время тенденцией модернизации при условии неизменности основных средств производства (линий, машин и механизмов). Качество производства меняется в короткие сроки за счет модернизации АСУ ТП, в том числе, с применением беспроводных технологий, приносящих экономию средств и времени, по сравнению с развертыванием проводных сетей.

В настоящей статье рассматриваются, и, отчасти, сравниваются различные продукты производителей беспроводных аппаратных средств связи, охватывающие такие области применения, как промышленные АСУ ТП, и АСУ инженерных систем зданий и сооружений (BMS).

Типы беспроводных сетей, которые применимы в этих сферах, следующие:

Персональные беспроводные сети.
Беспроводные сенсорные сети.
Малые локальные беспроводные сети.
Большие локальные беспроводные сети.

В своем обзоре мы не рассматриваем оборудование и программное обеспечение для организации глобальных сетей и сетей, использующих услуги телекоммуникационных провайдеров (GSM, GPRS, EDGE, 3G, WiMAX и т.д.)

Выбор технологии для различных систем

Вначале мы кратко остановимся на принципах выбора беспроводных аппаратных средств для организации АСУ ТП.

Сегодня основная проблема для пользователя, решившего применить беспроводные решения, заключается в выборе соответствующей технологии. Существует множество типов беспроводной связи и, как и в проводных сетях, к различным системам предъявляются различные требования.

При выборе технологии следует руководствоваться следующими факторами:

Объем данных: некоторым потребителям требуется собирать мегабиты данных в секунду, другим необходимо всего лишь несколько раз в сутки включать и выключать отдельные устройства.
Время oткликa: когда устройство является частью цепи, получение команды в заданный момент является существенным критерием. Требуемое время реакции может составлять несколько микросекунд.
Надежность oткликa: будет ли сообщение получено наверняка и, если нет, какова вероятность обнаружения ошибок? Здесь при выборе технологии важную роль играют помехи.
Дистанция связи: расположены ли узлы сети на большой территории или сосредоточены в одном месте? Дистанция может составлять от нескольких метров для подвижных частей механизма до нескольких километров для насосных станций распределительной сети. Охватываемое расстояние задает потребляемую мощность и зачастую определяет, можно ли использовать не требующую лицензирования технологию связи.
Число узлов связи: требуется ли связь только между двумя узлами, или в ней участвует множество узлов, что потребует использовать более совершенную структуру связи (топология Scatternet).

Вам нравится эта статья? Поставьте нам Like! Спасибо:)

Краткий обзор типов беспроводных сетей

Персональные беспроводные сети

IrDA (Infrared Data Association) - связь в инфракрасном диапазоне световых волн
Bluetooth - технология радиосвязи малого радиуса действия (обычно до 200 метров) в диапазоне частот, свободном от лицензирования (ISM-диапазон: 2,4-2,4835 ГГц).
UWB (Ultra-Wide Band) - технология беспроводной связи на малых дальностях (около 10 метров), использующая самый широкий диапазон частот для коммерческих устройств связи.
Wireless USB, беспроводной USB - предназначен для замены проводного USB.
Wireless HD - беспроводная технология передачи данных, в основном предназначенная для передачи HD-видео, однако ее также можно использовать для организации беспроводной сети.
WiGig (IEEE 802.11ad.) - технология широкополосной беспроводной связи, работающая в нелицензируемой полосе частот 60 ГГц и обеспечивающая передачу данных до скоростью 7 Гбит/с на расстояние до 10 метров.
WHDi, Wireless Home Digital Interface (Amimon) - беспроводная технология передачи данных, используемая для высокоскоростной передачи данных и оптимизированная для передачи видео высокого разрешения.
LibertyLink - технология организации беспроводной персональной сети, разработанная компанией Aura. Для передачи информации используется эффект магнитной индукции.
DECT/GAP - цифровая усовершенствованная система беспроводной телефонии; технология беспроводной связи, используемая в современных радиотелефонах.

Беспроводные сенсорные сети

DASH7 - стандарт организации беспроводных сенсорных сетей. Сенсорная сеть - это сеть миниатюрных вычислительных устройств, снабженных сенсорными датчиками.
Z-Wave - технология беспроводной радиосвязи, используемая для организации сенсорных сетей. Основное назначение сетей Z-Wave - дистанционное управление бытовой техникой и различными домашними устройствами, обеспечивающими управление освещением, отоплением и другими устройствами для автоматизации управления жилыми домами и офисными помещениями.
Insteon - комбинированная (частично проводная и частично беспроводная) сенсорная сеть. Для передачи информации используется радиосигнал на частоте 902-924 МГц, обеспечивающий передачу данных на дальности до 45 метров в условиях прямой видимости со средней скоростью 180 бит/с.
EnOcean - технология организации беспроводных сенсорных сетей, использующая сверхминиатюрные датчики с генераторами электроэнергии, микроконтроллерами и приемо-передатчиками.
ISA100.11a - стандарт организации промышленных сенсорных сетей, сетей датчиков и приводов. Для передачи используется низкоскоростная беспроводная связь с использованием элементов с низким энергопотреблением. Отличительная особенность ISA100.11a от других сенсорных сетей: 1) ориентированность на промышленное использование и, соответственно, специфические требования к прочности, помехозащищенности, надежности и безопасности, 2) возможность эмуляции средствами технологии ISA100.11a протоколов уже существующих и проверенных проводных и беспроводных сенсорных сетей. Обмен данными осуществляется на частоте в районе 2,4 ГГц и скорости порядка 250 кбит/с.
WirelessHART - протокол передачи данных по беспроводной линии связи, разработанный HART Communication Foundation для передачи данных в виде HART- сообщений в беспроводной среде. HART - протокол обмена данными для взаимодействия с полевыми датчиками.
MiWi - протокол для организации сенсорных и персональных сетей с низкой скоростью передачи данных на небольшие расстояния, основанный на спецификации IEEE802.15.4 для беспроводных персональных сетей.
6LoWPAN - стандарт, обеспечивающий взаимодействие малых беспроводных сетей (частных сетей или сетей датчиков) с сетями IP по протоколу IPv6.
One-Net - открытый протокол для организации беспроводных сенсорных сетей и сетей автоматизации зданий и распределенных объектов.
Wavenis - беспроводная технология передачи данных, использующая частоты 433/868/915 МГц и обеспечивающая передачу на расстояние до 1000 м на открытом пространстве и до 200 м в помещении, при скорости до 100 Кбит/с. Технологию Wavenis используют для организации персональных сетей и сетей датчиков, так как сверхнизкое потребление приемо-передающих устройств позволяет им работать автономно до 15 лет от одной батарейки.
RuBee - локальная беспроводная сеть, которая, в основном, используется как сеть датчиков. Для передачи данных в RuBee используются магнитные волны, и передача осуществляется на частоте 131 КГц, что обеспечивает скорость всего лишь 1200 бод в секунду на расстояниях от 1 до 30 метров.

Малые локальные беспроводные сети

HiperLAN (High Performance Radio LAN) - стандарт беспроводной связи. Существует две ревизии стандарта: HiperLAN 1 и HiperLAN 2. Стандарт HiperLAN 1 выпущен 1981 году и описывает более медленную линию связи, обеспечивающую скорость передачи данных до 10Мбит/с на расстоянии до 50 метров.
Wi-Fi - торговая марка объединения Wi-Fi Alliance, представляющая собой семейство стандартов спецификации IEEE 802.11 для широкополосной радиосвязи. В зависимости от стандарта, Wi-Fi использует для передачи данных диапазон частот в районе 2,4 ГГц или 5 ГГц и обеспечивает скорость передачи данных от 2 Мбит/с на расстояниях до 200 метров.
ZigBee - технология организации беспроводных сенсорных и персональных сетей. Технология ZigBee обеспечивает невысокое потребление энергии и передачу данных на нелицензируемой частоте 2.4 ГГц (для различных стран частота может отличаться) со скоростью до 250 Кб/с, на расстояние до 75 метров в условиях прямой видимости.
RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access) - технология беспроводной передачи данных с использованием оптического сигнала.

Большие локальные беспроводные сети

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - беспроводная технология передачи данных, основанная на стандарте IEEE 802.16. Основное назначение технологии - это высокоскоростная связь на больших расстояниях и предоставление доступа в Интернет.
HiperMAN - беспроводная технология передачи данных на базе стандарте IEEE 802.16. Европейская альтернатива технологии WiMAX. HiperMAN специализирована для пакетной передачи данных и организации беспроводных IP-сетей.
WiBro (Wireless Broadband) - беспроводная технология высокоскоростной передачи данных на большие расстояния, основанная на стандарте IEEE 802.16e. Северокорейский аналог технологии WiMAX Mobile.
Classic WaveLAN - технология беспроводной связи, используемая для организации локальных сетей (беспроводная альтернатива проводных сетей Ethernet и Token Ring). Передача данных осуществляете в диапазоне частот в 900 МГц или 2.4 ГГц, при этом обеспечивается скорость передачи до 2 Мбит/с.

Производители аппаратных средств организации беспроводных сетей АСУ ТП

В настоящем обзоре будут рассмотрены некоторые интересные предложения популярных в настоящее время производителей, представляющих на рынке аппаратуру для:

Промышленных АСУ ТП: Phoenix Contact, Siemens, Omron, Moxa
АСУ инженерных систем зданий и сооружений, «умный дом»: Thermokon, JUNG

При написании обзора широко использован практический опыт применения ряда перечисленных устройств.

Phoenix Сontact

Благодаря развитой номенклатуре и отличной функциональности изделий Phoenix Contact занимает отличные позиции на рынке беспроводных решений для промышленной автоматизации.

Phoenix Contact поставляет компоненты для решения любых задач, связанных с построением систем беспроводной связи в промышленных условиях. Устройства беспроводной связи сконструированы для эксплуатации в жестких промышленных условиях, характеризуются высокой надежностью, простотой и удобством использования, а также максимальной защищенностью передачи данных.

Передача небольшого количества сигналов или огромных объемов данных, обеспечение связи в режиме реального времени между близко расположенными или удаленными на сотни метров устройствами, в производственных помещениях с металлическими преградами или в условиях открытой местности - для этих и других требований возможен подбор соответствующих компонентов и аксессуаров к ним производства Phoenix Contact.

В каждой области применения предъявляются свои требования к радиосвязи. Phoenix Contact предлагает серию изделий для беспроводной связи, созданных на основе различных технологий, которые позволяют решать коммуникационные задачи гибко, просто и экономично.

В каждой конкретной области применения предъявляются свои функционально-технические требования к технологиям беспроводной связи. Поскольку в настоящее время ни одна из существующих технологий радиосвязи не способна удовлетворить всем требованиям, компания Phoenix Contact предлагает решения, основанные на различных технологиях.

Итак, какие же аппаратные средства по типам связи предлагает потребителям Phoenix Contact?

Bluetooth I/O (IEEE 802.15.1). Основная область применения технологии Bluetooth - интеграция компонентов систем автоматизации в локальные сети на базе полевой шины или в сети промышленного Ethernet. Благодаря поддержке различных пользовательских профилей стандарт беспроводной связи может применяться для решения широкого круга задач. Отличительные особенности:

Очень надежный способ передачи данных в производственных помещениях с металлическими объектами.
Возможность локальной параллельной работы нескольких сетей Bluetooth.
Автоматические механизмы сосуществования обеспечивают помехоустойчивую параллельную работу WLAN 802.11b/g.
Объединение радиосетью до семи оконечных устройств.
Пропускная способность до 1 Мбит/с.
Дальность передачи, как правило, более 100 м в производственных помещениях и более 200 м в условиях открытой местности.
Оптимально подходит для быстрой циклической передачи небольших пакетов данных.
Прозрачная передача данных по сети Ethernet на уровне Layer-2, например, в системах PROFINET IO.
Высокая защищенность данных благодаря кодированию данных с 128-битным ключом и аутентификации оконечных устройств Trusted Wireless.

Bluetooth I/O - эффективная технология в исполнении Phoenix Contact для автоматизации промышленных цехов (например, текстильная, химическая промышленности) без создания проекта АСУ ТП в привязке к строительным конструкциям. Создание проекта и развертывание системы можно осуществить весьма быстро и не будет дополнительных требований к прокладке кабелей и установке оборудования.

Phoenix Contact Factory Line Bluetooth для беспроводной передачи управляющих сигналов

Среди способов надежной беспроводной передачи данных передачи стоит отметить:

Trusted Wireless - технология промышленной радиосвязи для передачи некритичных к задержкам сигналов процесса на большие расстояния - до нескольких километров.

Phoenix Contact Radioline на основе технологии Trusted Wireless

Wireless MUX - простое решение для передачи цифровых и аналоговых процессных и управляющих сигналов - просто и надежно без кабеля, от одной точки к другой. Уверенная и надежная передача на расстояния до нескольких сотен метров.

Система многоканальной беспроводной связи Phoenix Contact Wireless-MUX

Wireless I/O - технология для беспроводной передачи критичных к задержкам процессных и управляющих сигналов в сетях автоматических систем управления. Характеризуется высоким быстродействием, надежностью, простым и удобным обслуживанием.

Высокопроизводительные сети представлены технологией WLAN (IEEE 802.11). На базе WLAN возможна реализация сетей, объединяющих множество оконечных устройств. Поскольку системы WLAN допускают простую интеграцию в информационные сети, то прекрасно подходят для мобильного управления, контроля и регистрации данных. Кроме того, возможно создание быстрого канала связи между управляющими устройствами и передача входных и выходных данных в режиме реального времени в системах PROFINET I/O. Другие особенности:

Возможность создания больших сетей, объединяющих несколько сотен оконечных устройств
Высокая пропускная способность до 300 Мбит/с.
Благодаря функции автоматического роуминга возможно создание сетей с большой зоной покрытия, обеспечивающих высокую мобильность.
Дальность передачи, как правило, до 100 м в производственных помещениях и более 200 м в условиях открытой местности. В отдельных случаях, дальность передачи может составлять более 1 км.

Основные типы оборудования Phoenix Contact, поддерживающие перечисленные технологии:

Wireless Ethernet - применяются для беспроводного подключения к сети Ethernet компонентов системы автоматизации. Передача данных на уровне Layer-2 производится в прозрачном в отношении протоколов режиме. Поддерживаются протоколы промышленного Ethernet, такие как PROFINET, Modbus/TCP и EtherNet/IP.

Factory Line Bluetooth - надежные коммуникационные компоненты для небольших локальных беспроводных сетей, работающих параллельно.

Factory Line WLAN - компоненты, обеспечивающие высокоскоростной беспроводной доступ к сети Ethernet с большой зоной покрытия.

Factory Line Wireless Serial - устройства с последовательным интерфейсом, интегрируемые в сеть Ethernet с помощью компонентов Factory Line Bluetooth или Factory Line WLAN.

Надежность

Набольшее внимание уделяется надежности и помехозащищенности каналов беспроводной связи в жестких промышленных условиях. Беспроводная передача данных осуществляется посредством электромагнитных волн. При этом на канал радиосвязи воздействуют внешние источники электромагнитных помех.

Сильные электромагнитные поля радиопомех, создаваемые в производственных помещениях различными устройствами, например, преобразователями частоты, в результате коммутации нагрузок или работы сварочного аппарата не оказывают влияния на радиосвязь, поскольку такие электромагнитные помехи находятся в пределах кило- или мегагерцового диапазона, в то время как Bluetooth, Trusted Wireless и WLAN работают в диапазоне 2,4 ГГц. Дополнительно Bluetooth, Trusted Wireless и WLAN поддерживают сигналы с расширенным спектром и другие механизмы, обеспечивающие высокую надежность передачи данных.

Достоинства

Безусловно, к достоинствам данного производителя можно отнести надежность обеспечения устойчивости и помехозащищенности каналов связи за счет современных методов кодирования и организации радиоканала. Хочется отметить средства Wireless MUX(такие как ILB BT ADIO MUX-OMNI), которые позволяют быстро разворачивать, к примеру, информационно-измерительные системы и системы мониторинга, вплоть до создания диагностических, мобильных комплексов для временного использования. Эффективную автоматизацию подвижных объектов АСУ ТП можно осуществить с помощью точки доступа Wireless LAN, FL WLAN 5100.

Omron

Японская компания Omron хорошо известна своим инновационным подходом, стремлением использовать новые технологии при создании новых систем. Этот принцип используется производителем и при создании решений беспроводной связи. Когда компания Omron выпустила беспроводное устройство DeviceNet WD30, оно получило широкое признание за реализацию возможностей промышленной шины (ранее доступных только в проводном варианте) для малых и средних дистанций беспроводной связи.

Затем компания Omron выпустила следующую модификацию беспроводного модема DeviceNet - WD30-01. Отличия по сравнению с существующим модемом WD30 могут показаться незначительными, но они существенно расширяют сферу применения этих блоков. Теперь антенны имеют магнитное основание и кабель длиной 2 метра. Это позволяет устанавливать блоки WD30 внутри корпуса, вынося антенну за его пределы, что обеспечивает более гибкое использование данного устройства.

О семействе WD30

Беспроводные устройства DeviceNet компании Omron позволяют устанавливать связь с любыми совместимыми с DeviceNet устройствами посредством полностью беспроводной промышленной шины. WD30 - это не просто устройство 1:1, расширяющее сеть. Одно беспроводное вeдyщeе устройство WD30 от Omron может обращаться к нескольким вeдомым устройствам.

В одной сети DeviceNet могут находиться несколько главных беспроводных устройств, образующих сложные гибкие конфигурации в одной системе.

Используемая технология

Беспроводные устройства DeviceNet объединяют в себе две новейшие технологии беспроводной связи: расширенный спектр и разнесенные антенны. Беспроводная связь основана на технологии DSSS (Расширенный спектр прямой последовательности) с разделением на 34 отдельных канала в диапазоне 2,4 ГГц. Эта частота во всем мире выделена для использования в промышленности, науке и медицине (ISM). Использование технологии расширенного спектра уменьшает влияние помех, обеспечивая прохождение сообщения с первого раза.

Во всех приемопередатчиках DeviceNet используется система спаренных антенн. Она измеряет выходной сигнал устройства, вычисляя разницу между сигналом и его отражениями. Приемопередатчик автоматически выбирает антенну с наилучшим качеством сигнала для уменьшения помех.

Беспроводные устройства DeviceNet компании Omron были первыми серийными беспроводными устройствами, объединяющими эти технологии.

Широкий спектр применений

Из-за характеристик кабелей, требования к топологии кабелей DeviceNet обычно ограничивают длину промежуточных звеньев сети шестью метрами. Однако в некоторых системах требуется заметно бо льшая длина кабелей. Теперь беспроводная сеть DeviceNet компании Omron позволяет передавать данные в узлы DeviceNet на расстояние до 60 метров от магистральной линии.

Низкая выходная мощность (10 мВт) минимизирует радиочастотные помехи в других устройствах. Высокая рабочая частота снижает возможность появления электрического шума в заводском цехе из-за интерференции с сигналами беспроводных устройств DeviceNet. В беспроводных устройствах DeviceNet дополнительно реализована встроенная функция защиты, не позволяющая другим пользователям изменять параметры без знания кодов. Процедура настройки представляет собой установку определенной комбинации положений переключателей, которую трудно повторить. Изменение положений переключателей не изменяет конфигурацию устройства.

Вeдyщие и вeдомые устройства WD30 снабжены стандартным миниатюрным разъемом DeviceNet, что расширяет возможности применения DeviceNet в производственных помещениях. К таким применениям относятся: транспортировка материалов, конвейерные системы, линии сборки, робокары и движущееся оборудование, где использование проводов нецелесообразно. Для беспроводных устройств DeviceNet требуется другой набор навыков, несколько больший объем знаний и более интенсивное обучение.

Среди преимуществ беспроводных решений этого производителя отметим многолетнюю надежную эксплуатацию радиомодемов (сети DeviceNet) в промышленных цехах, насыщенных разнообразным помехогенерирующим оборудованием, таим как регуляторы на основе отсечки напряжения и тока, частотные преобразователи и т.д.

Беспроводные устройства Omron DeviceNet WD30-01

Siemens

Возможности беспроводных сетей реализованы в промышленных системах связи (IMC - Industrial Mobile Communication), построенных на соответствующих компонентах SIMATIC NET, которые базируются на общепризнанных мировых стандартах - IEEE 802.11, GSM, GPRS и UMTS.

IMC охватывает программные и аппаратные компоненты SI-MATIC NET, обеспечивающие возможность обмена данными через беспроводные каналы связи сетей Industrial Ethernet и PROFIBUS. Компоненты SIMATIC NET могут быть использованы для построения системы связи всей компании — от подключе-ния к сети простейшего устройства до организации интенсивного обмена данными между сложными системами. Точки доступа IWLAN (Industrial Wireless Local Area Network) се-мейства SIMATIC NET способны поддерживать обмен со все-ми мобильными устройствами, отвечающими требованиям стандартов IEEE 802.11 a, b, g, h.

Семейство SCALANCE W

Семейство SCALANCE W объединяет в своем составе целый ряд коммуникационных модулей, предназначенных для по-строения высоконадежных IWLAN с детерминированным временем передачи данных и поддержкой резервированных каналов связи.

Такие беспроводные сети позволяют переда-вать через свои каналы как критичные к времени передачи со-общения (например, IWLAN с передачей аварийных сообще-ний), так и обычные сообщения (например, WLAN с переда-чей сервисных и диагностических сообщений). В целом, по-добные сети по своим функциональным возможностям пере-крывают требования стандарта IEEE 802.11.

Модули SCALANCE W выпускаются в прочных металличе-ских корпусах со степенью защиты IP65, обеспечивающих надежную защиту от влаги и пыли и возможность использова-ния модулей в условиях вибрации и тряски.

Все модули серии SCALANCE W поддерживают стандартные механизмы идентификации пользователей, обеспечивающие защиту IWLAN от несанкционированного доступа, а также механизмы кодирования передаваемых данных.

Промышленное исполнение

Модули SCALANCE W способны сохранять работоспособ-ность в диапазоне температур от -20°C до +60°C, подвергаться длительному воздействию влаги и пыли. Используемые в них антенны, блоки питания и соединительные кабели также ори-ентированы на эксплуатацию в промышленных условиях.

Примеры использования IWLAN

Возможна беспроводная интеграция сегментов PROFIBUS и PROFINET станций в существующую сеть Industrial Ethernet. Для этого к стационарной сети Industrial Ethernet подключается необходимое количество точек доступа SCALANCE W.

Точки доступа могут комплектоваться круговыми или направленными антен-нами, а также протяженными антеннами с низким уровнем излучения в виде RCoax-кабеля. Через точки доступа в систему беспроводной связи могут быть включены любые стационарные или мобильные объекты, оснащенные моду-лями клиентов или модулями IWLAN/PB Link PNIO.

Приведем пример реализации дистанционного конфигурирования аппаратуры на подвижных станциях. Мобильные станции свободно перемещаются в зоне ох-вата радио, образованной двумя точками доступа SCALANCE W788-1PRO. Каждая мобильная станция оснащена модулем клиента SCALANCE W746-1PRO. Обеспечивается поддержка беспроводного обмена данными панели оператора, компьюте-ра и программируемого контроллера каждой мобильной стан-ции с контроллером и системой человеко-машинного интерфейса стационарной сети Industrial Ethernet. Программатор Field PG M используется для дистанционного обслуживания всей аппаратуры данной системы.

В зоне охвата радио одной точки доступа SCALANCE W788-1PRO или SCALANCE W788-2PRO могут работать мобиль-ные станции с компонентами систем распределенного ввода/вывода PROFINET IO.

Программное обеспечение

Программный пакет SINEMA E со стандартной лицензией обеспечивает поддержку функций автоматического позиционирования компонентов инфраструктуры и оптимизации каналов связи, определяет не-обходимые типы точек доступа, оптимизирует значения пара-метров их настройки.

Поддерживаемые продукты:

Точки доступа WLAN: SCALANCE W788; W786; W784; HiPath AP2610, 2620, 2630, 2640; точки доступа по Wi-Fi 802.11 a/b/g/h.
Модули клиентов WLAN: SCALANCE W744; W746; W747; IWLAN/PB Link PNIO; модули клиентов по Wi-Fi 802.11 a/b/g/h.
Адаптеры LAN/WLAN для поддержки функций чтения/за-грузки: SIMATIC NET CP 1613 A2; CP 1612; стандартный LAN-адаптер; стандартная WLAN-карта.
Адаптер WLAN для выполнения измерений в WLAN; для измерений в стандартном режиме — стандартный WLAN адаптер; для усовершенствованного режима измерений — PCMCIA WLAN-адаптер.

Одним из преимуществ этого производителя является предложение комплектов беспроводных устройств, совместимых с наиболее популярными в промышленности ПЛК и системами Siemens, обеспечение помехоустойчивой и надежной связи для АСУ ТП в различных отраслях, включая транспортную.

Точка доступа Siemens SKALANCE W788-1PRO

Moxa

Компания Moxa разработала и производит большое количество решений для подключения различных промышленных устройств с интерфейсами на основе беспроводных технологий - IEEE 802.11 (WLAN) и GSM/GPRS/UMTS/HSDPA. Рассмотрим оборудование для организации прямых, локальных сетей без участия телекоммуникационных провайдеров (GSM, GPRS).

RISC-компьютеры с беспроводными интерфейсами

Встраиваемые компьютеры Moxa ThinkCore основаны на RISC-платформе и предназначены для создания пользовательских приложений для промышленной автоматизации. Они имеют программно выбираемый RS-232/422/485 последовательный порт, 802.11a/b/g интерфейс для WLAN-связи, SD слот, 2 USB и 1 Ethernet-порт. Moxa ART, 32-битный процессор ARM9, и встроенная ОС Linux обеспечивают мощную и надежную платформу для промышленных сред с жесткими условиями, а также являются являются удачным решением для промышленных приложений M2M: обмен данными, преобразование протоколов и дистанционное управление устройствами и их проверка.

В Украину поставляются такие модели: Moxa ThinkCore W311 (RISC-базирующийся встраиваемый компьютер с WLAN, 1 последовательным портом, LAN, ОС Linux); Moxa ThinkCore W321 (RISC-компьютер с WLAN, 2 последовательными портами, LAN, SD и ОС Linux). Moxa ThinkCore W341 (RISC-компьютер с WLAN, 4 последовательными портами, LAN, SD, USB, релейными выходами, ОС Linux).

RISC-компьютеры с многофункциональными беспроводными интерфейсами

Компьютеры серии Moxa ThinkCore W311 UC-8481 имеют 2 RS-232/422/485 последовательных порта, 2 Ethernet-порта, 4 цифровых входа и выхода, CompactFlash сокет и 2 порта USB 2.0. Moxa ThinkCore W311 UC-8481 базируются на Intel XScale IXP435 533 MHz RISC-процессоре. Компьютер имеет большие вычислительные и коммуникационные возможности при очень малом тепловыделении.

Moxa ThinkCore W311 UC-8481 имеет семь разъемов, что позволяет пользователям подключать различные беспроводные модули и GPS - это очень важно, например, для применения на железной дороге и вообще, на движущихся транспортных средствах. Moxa предлагает также модель с расширенным диапазоном рабочих температур, от -25°C до 70 °C - для промышленных сред с жесткими условиями.

Встраиваемый компьютер Moxa ThinkCore W311 UC-8481

Беспроводные контроллеры доступа

Индустриальные контроллеры беспроводного доступа WAC-1001 снабжены технологией Moxa Turbo Roaming, которая резко сокращает время роуминга для беспроводных устройств - до 50 мс. Эта передовая функция обеспечивает высокую скорость переключения и «бесшовное» соединение, без обрывов связи и нарушения безопасности беспроводных коммуникаций даже в чрезвычайно сложных условиях. Также устройства характеризуются поддержкой IEEE802.11i (беспроводная безопасность) и широким диапазоном рабочих температур: -40°C до 75°C.

Беспроводные точки доступа (AP/Bridge/AP Client)

Moxa предлагает большое количество подобных устройств. Характерным примером является Moxa AWK-4131 - промышленная точка беспроводного доступа 3-в-1 (Access Point/Bridge/Client), которая позволяет обеспечить пользователям высокоскоростной, эффективный беспроводный доступ к сетевым ресурсам по технологии IEEE 802.11n с сетевой скоростью до 300 Mbps. Moxa AWK-4131 использует два соседних 20 МГц канала, объединяя их в один 40 МГц - для обеспечения большей надежности и высокой пропускной способности. Рабочий диапазон температур устройства составляет от -40°C до 75°C.

Moxa AWK-4131 имеет дублированный вход по питанию для повышения надежности оборудования, а также может получать питание по Ethernet (PoE). Высокочастотные модули Moxa AWK-4131 обеспечивают работу в двух диапазонах частот 2.4 и 5 GHz. Moxa AWK-4131 имеют обратную совместимость со стандартами IEEE 802.11a/b/g, что позволяет просто интегрировать их в уже существующую инфраструктуру. Корпус с защитой класса IP68 и специальные M12 соединители предохраняют устройство от критических условий окружающей среды (пыль, влага)

Беспроводные устройства доступа IEEE 802.11 (WLAN)

Типовым представителем этой группы оборудования является новая серия устройств MiiNePort W1 (Network Enabler) - модулей-серверов доступа Serial-Ethernet с поддержкой беспроводных сетей IEEE 802.11 b/g. Они обеспечивают очень простое подключение устройств с последовательным интерфейсом в беспроводные сети.

Moxa MiiNePort W1 обеспечивает скорость до 921.6 Kbps по последовательному порту и поддерживает большое число различных операционных модов: RealCOM, TCP Server, TCP Client, UDP, RFC2217, а так же Infrastructure Mode (b/g) и Ad-Hoc Mode (b/g) для беспроводных сетей IEEE 802.11 b/g. Качественная драйверная поддержка Moxa MiiNePort W1 обеспечивает простоту внедрения модулей в уже существующие решения.

Moxa MiiNePort W1 имеет очень компактный размер: 44.4 x 44.4 x 9.7 мм, а также экстремально низкое потребление (360 mA для 3.3 VDC, 290 mA для 5 VDC), что позволяет легко интегрировать его в различные устройства с последовательным интерфейсом для подключения их к беспроводным сетям.

Устройство доступа Serial-Ethernet Moxa MiiNePort W1

WLAN-антенны

Moxa предлагает широкий выбор антенн в различных диапазонах частот (2,4; 5 ГГц) и диаграмм направленности, от круговых до направленных. Диапазоны усиления: от 5 до 18 dBi.

Беспроводное оборудование от Moxa широко используется при создании автоматизированных систем технического учета, распределенных систем мониторинга и измерения технологических параметров в пищевой, бумажной, химической промышленностях, машиностроении и т.д.

Устройства Moxa хорошо проявляют себя в построении разветвленных, локально распределенных информационно-измерительных и диспетчерских систем, что является одним из их ключевых преимуществ.

О средствах беспроводной передачи данных в системах автоматизации зданий вы сможете прочитать во 2-й части обзора, которая будет опубликована в июле.

Беспроводная передача данных, при которой сигналы передаются через воздух или космос без каких-либо физических ограничений, становится популярной альтернативой физическим каналам передачи, таким как витая пара, коаксиальный или оптоволоконный кабель. В настоящее время общие технологии для беспроводной передачи данных объединяют микроволновую передачу, коммуникационные спутники, пейджеры, сотовые телефоны, персональные коммуникационные службы (PCS), интеллектуальные телефоны, персональные карманные компьютеры (PDA) и сети мобильных данных.

Средством беспроводной передачи служит спектр электромагнитных волн, показанный на рис. 8.3. Некоторые типы беспроводной передачи, такие как микроволны или инфракрасные волны, занимают специфические спектральные диапазоны частот, измеряемые в мегагерцах (МГц). Другие типы беспроводной передачи получили широкое распространение в настоящее время (например, сотовые телефоны или пейджинговые устройства), поэтому в этом случае выделяется специфический диапазон частот, предоставляемый национальными регулирующими агентствами, который регулируется международными соглашениями. Каждый диапазон частот имеет присущие ему преимущества и недостатки, облегчающие выбор области его применения.

Микроволновые системы, как наземные, так и воздушные, передают высокочастотные радиосигналы через атмосферу и широко используются для передачи больших объемов данных на огромные расстояния, из одного пункта в другой. Микроволновые сигналы передаются по прямой линии и не способны огибать кривизну Земли; поэтому наземные системы передачи на дальние расстояния требуют, чтобы станции передачи были расположены на расстоянии от 25 до 30 миль друг от друга, что приводит к их удорожанию.

Эта проблема может быть решена путем отражения микроволновых сигналов от спутников, которые служат ретрансляционными станциями для микроволновых сигналов, передаваемых от наземных станций. Коммуникационные спутники эффективны (обеспечивают минимальные издержки) при передаче огромного количества информации на сверхбольшие расстояния. Спутники обычно используются для осуществления коммуникаций в среде больших, географически разбросанных организациях, когда затруднена связь с помощью кабельных систем или наземных микроволновых станций. Например, компания Amoco использует спутники для передачи данных, содержащих результаты разведки нефтяных залежей на океанском шельфе, в режиме реального времени. Исследовательские корабли передают собранные данные, используя геосинхронные (геостационарные) спутники, в центральные компьютерные центры в США в целях их даль-

нейшего использования исследователями в Хьюстоне, Тулзе и пригородах Чикаго. На рис. 8.4 иллюстрируются принципы работы этой системы.

Обычные коммуникационные спутники вращаются по стационарным орбитам на расстоянии примерно 22 тыс. миль от поверхности Земли. В последнее время запускаются новейшие спутниковые системы, так называемые низкоорбитальные спутники. Эти спутники находятся значительно ближе к Земле и способны улавливать сигналы от маломощных передатчиков. Эти спутники также потребляют меньше энергии, а их запуск обходится дешевле, чем в случае с геостационарными спутниками. С такими беспроводными сетями деловые люди смогут путешествовать всюду по миру и иметь доступ к богатым коммуникационным возможностям, включая видеоконференции и доступ к Интернету.

Другие беспроводные передающие технологии используются в ситуациях, требующих удаленного доступа к корпоративным системам и мобильным вычислительным мощностям. Пейджинговые системы применяются несколько десятилетий, первоначально только подавая звуковой сигнал, когда пользователь, получая сообщение, должен был перезвонить в офис, чтобы узнать о содержании самого

Microwave (микроволны/радиоволны)

Передача больших объемов информации, на дальние расстояния из пункта в пункт передачей через атмосферу радиосигналов высокой частоты от одной наземной станции к другой.

Satellite (спутниковый канал)

Передача данных с использованием орбитальных спутников, которые служат в качестве ретрансляционных станций для передачи микроволновых сигналов на очень большие расстояния.

Paging system (пейджинговая система)

Беспроводная передающая технология, предусматривающая прием пейджерами радиосигналов, сопровождаемый соответствующим звуком в момент получения сообщения; используется для передачи коротких алфавитно-чис-ловых сообщений.

сообщения. В настоящее время пейджинговые устройства могут посылать и получать короткие алфавитно-числовые сообщения, которые пользователь читает на экране пейджера. Пейджинг полезен для сообщения с подвижными рабочими, такими как ремонтные бригады; односторонний пейджинг также может обеспечить недорогой способ сообщения с работниками в офисах. Например, Computer Associates распространяет двусторонние пейджеры, снабженные управляющими программами СА Unicenter, которые позволяют операторам компьютерных сетей контролировать ситуацию, а также оперативно реагировать на возникающие проблемы.

Сотовые телефоны функционируют путем передачи/приема радиоволн для сообщения с базовыми станциями, расположенными внутри смежных географических территорий, называющихся сотами. Телефонный сигнал передается локальной соте, затем он передается от станции к станции (от соты к соте), пока не достигнет целевой соты, после чего передается получающему телефону. По мере того как сотовый сигнал перемещается от одной соты к другой, компьютер, кото-

Cellular telephone (сотовый телефон)

Personal communication services (PCS) (персональные коммуникационные услуги)

Цифровая сотовая технология, которая использует радиоволны более низкой мощности, более высокой частоты, чем аналоговая сотовая технология.

Smart phone (интеллектуальный телефон)

Беспроводной телефон, предлагающий возможности голосовой и текстовой связи, а также подключение к Интернету.

рый контролирует сигналы от сот, выделяет радиоканал, назначенный следующей соте. Размер шестиугольных сот обычно достигает восьми миль, хотя он может уменьшаться в густонаселенных местностях.

Более старые сотовые системы являются аналоговыми, а более новые сотовые системы - цифровые. Персональные коммуникационные службы (PCS) являются популярным типом цифровой сотовой услуги. Служба PCS носит полностью цифровой характер. С ее помощью обеспечивается передача речи и данных, а также используется более высокочастотный диапазон, чем в случае с аналоговыми сотовыми телефонами. Соты PCS значительно меньше по размеру и более близко расположены, чем аналоговые соты, и могут передавать больший объем трафика. В дополнение к речевым коммуникациям более новые модели цифровых сотовых телефонов могут обрабатывать голосовую почту, электронную почту и факсы; сохранять адреса; обеспечивать доступ к частным корпоративным сетям, а также к Интернету. Эти интеллектуальные телефоны оснащены web-браузерами, благодаря чему обеспечивается доступ к web-страницам, содержащим текст или другую информацию (без графики), что удобно в случае устройств, снабженных небольшими по размеру экранами. Некоторые модели интеллектуальных телефонов снабжены большими экранами, а также дополнительными клавиатурами, что облегчает доступ к Интернету. В гл. 9 подробно рассматривается применение этих устройств для обеспечения беспроводного доступа к Интернету.

Карманные компьютеры (PDA) являются маленькими, снабженными сенсорными экранами, портативными компьютерами, обеспечивающими возможность полностью цифровой передачи данных. Устройства PDA имеют встроенные беспроводные телекоммуникационные возможности, а также программное обеспечение органайзера. Хорошо известным примером является подключаемый органайзер Palm VII. Это устройство позволяет выполнять обмен сообщениями электронной почты, а также обеспечивает доступ к Интернету. Поддерживаются также такие приложения, как электронный планировщик, адресная книга и финансовый организатор. Устройство может принимать данные, введенные с помощью пера, водимого по сенсорному экрану. В «Организационном окне» описана деятельность организации Safeway U. К., использующей PDA в приложении электронной коммерции для совершения покупок в гастрономе.

Personal digital assistants (PDA) (карманные компьютеры)

Маленькие, снабженные сенсорными экранами, портативные компьютеры, обладающие встроенными цифровыми телекоммуникационными возможностями.

Mobile data networks (сети мобильных данных)

Беспроводные сети, которые осуществляют двустороннюю передачу файлов данных дешево и эффективно.

Беспроводные сети, специально спроектированные для двусторонней передачи файлов данных, называются мобильными сетями данных. Эти основанные на радиоволнах сети передают данные, генерируемые портативными компьютерами. Другой тип сети мобильных данных основан на сериях передатчиков, построенных специально для передачи текста и данных. Сеть Ardis (которой владеет American Mobile Satellite Corp.) является общедоступной сетью, которая использует описанные возможности для организации двусторонней передачи данных в национальном масштабе. Компания Otis Elevators использует сеть Ardis для управления перемещениями специалистов по техническому обслуживанию в пределах всей страны, находясь в офисе, расположенном в штате Коннектикут. Специалисты применяют эту сеть для отсылки составленных отчетов.

Беспроводные сети и передающие устройства более дорогие, медленные и склонные к ошибкам, чем обычные локальные сети (Varshney and Vetter, 2000). Однако основные цифровые сотовые сети постоянно повышают скорость передачи данных (гл. 9). (Владельцы спутниковых систем, таких как Teledesic, тратят миллиарды на обеспечение огромных скоростей передачи больших объемов данных по беспроводным сетям, связанным с мультимедийными приложениями.) Обеспечение оптимальной пропускной способности и энергопотребления в беспроводных устройствах требует внимательного управления с точки зрения как технического, так и программного обеспечения (Imielinski and Badrinath, 1994). Вследствие того что радиосигнал может быть легко перехвачен, затрудняется обеспечение безопасности и секретности (гл. 14),

Данные не могут быть переданы в целостном виде между разными беспроводными сетями, если они используют несовместимые стандарты. Например, цифровая сотовая служба в Соединенных Штатах поддерживается разными операторами, использующими одну из нескольких конкурирующих цифровых сотовых технологий (CDMA, GSM 1900 и TDMA IS-136), которые несовместимы одна с другой. Многие цифровые сотовые портативные приемники, которые используют одну из этих технологий, не могут действовать в странах за пределами Северной Америки, они функционируют на различных частотах с разными наборами стандартов. Детальное рассмотрение этих стандартов, а также других сетевых стандартов производится в гл. 9.

Беспроводные технологии служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны, оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

Классификация по дальности действия:

Беспроводные персональные сети WPAN (Wireless Personal Area Networks). К этим сетям относятся Bluetooth.
Беспроводные локальные сети WLAN (Wireless Local Area Networks). К этим сетям относятся сети стандарта Wi-Fi.
Беспроводные сети масштаба города WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий - WiMAX.

Классификация по применени ю :

Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети — создаваемые компаниями для собственных нужд.
Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

Краткий обзор самых популярных технологий беспроводной передачи данных

Wi- Fi

Разработан консорциумом Wi-Fi Alliance на базе стандартов IEEE 802.11, «Wi-Fi» - торговая марка «Wi-Fi Alliance». Название технологии - Wireless-Fidelity («беспроводная точность») по аналогии с Hi-Fi.

В начале использования установка Wireless LAN рекомендовалась там, где развертывание кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно. В настоящий момент во многих организациях используется Wi-Fi, так как при определенных условиях скорость работы сети уже превышает 100 Мбит/сек. Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi-Fi.

Мобильные устройства (КПК, смартфоны, PSP и ноутбуки), оснащенные клиентскими Wi-Fi приёмо-передающими устройствами, могут подключаться к локальной сети и получать доступ в Интернет через точки доступа или хот-споты.

История

Wi-Fi был создан в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии - Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Создатель Wi-Fi - Вик Хейз (Vic Hayes ) работал в команде, участвовавшей в разработке стандартов IEEE 802.11b, IEEE_802.11a и IEEE_802.11g. Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 МБит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 480 Мбит/с.

Bluetooth

Bluetooth - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN ).

Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group, которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования - 14 июня 2002 года). Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.

Радиус действия Bluetooth может достигать 100 метров.

WiMAX (англ. Worldwide I nteroperability for Microwave Access ) - телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Технология разработана на основе стандарта IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN.

Область использования

WiMAX разработан для решения следующих задач:

· Соединение точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

· Обеспечение беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

· Предоставление высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

Создание точек доступа, не привязанных к географическому положению.

WiMAX позволяет осуществлять доступ в Интернет на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у Wi-Fi сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках целых городов.

Спецификации стандартов WiMAX

IEEE 802.16-2004 (известен также как 802.16d или фиксированный WiMAX) . Спецификация утверждена в 2004 году. Поддерживает фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства: стационарные модемы для установки вне и внутри помещений, а также PCMCIA-карты для ноутбуков. В большинстве стран под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. По сведениям WiMAX Forum, насчитывается уже порядка 175 внедрений фиксированной версии. Многие аналитики видят в ней конкурирующую или взаимодополняющую технологию проводного широкополосного доступа DSL.

IEEE 802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX ). Спецификация утверждена в 2005 году и оптимизирована для поддержки мобильных пользователей и поддерживает ряд специфических функций, таких как хэндовер(англ.), idle mode и роуминг. Планируемые частотные диапазоны для сетей Mobile WiMAX таковы: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. В мире реализованы несколько пилотных проектов, в том числе первым в России свою сеть развернул «Скартел». Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения (например, EV-DO, HSDPA).

Основное различие двух технологий состоит в том, что фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 120 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.