Беспроводная сеть — это компьютерная сеть , которая использует беспроводные соединения данных между сетевыми узлами . [1] Беспроводные сети позволяют домам, телекоммуникационным сетям и корпоративным установкам избегать дорогостоящего процесса прокладки кабелей в здание или соединения между различными местоположениями оборудования. [2] Административные телекоммуникационные сети обычно реализуются и администрируются с использованием радиосвязи . Эта реализация происходит на физическом уровне (слое) сетевой структуры модели OSI. [3]
Примерами беспроводных сетей являются сети сотовой связи , беспроводные локальные сети (WLAN) , беспроводные сенсорные сети, спутниковые сети связи и наземные микроволновые сети. [4]
Первая профессиональная беспроводная сеть была разработана под брендом ALOHAnet в 1969 году в Гавайском университете и введена в эксплуатацию в июне 1971 года. Первой коммерческой беспроводной сетью стало семейство продуктов WaveLAN , разработанное компанией NCR в 1986 году.
Достижения в области беспроводной технологии MOSFET (MOS-транзистор) позволили разработать цифровые беспроводные сети . Широкое внедрение RF CMOS ( радиочастотная CMOS ), силовых MOSFET и LDMOS (боковая диффузия MOS) устройств привело к разработке и распространению цифровых беспроводных сетей к 1990-м годам, а дальнейшие достижения в области технологии MOSFET привели к увеличению пропускной способности в 2000-х годах ( закон Эдгольма ). [5] [6] [7] Большинство основных элементов беспроводных сетей построены на MOSFET, включая мобильные приемопередатчики , модули базовых станций , маршрутизаторы , усилители мощности RF , [6] телекоммуникационные схемы , [8] радиочастотные схемы и радиопередатчики , [7] в таких сетях, как 2G , 3G , [5] и 4G . [6]
Беспроводные персональные сети (WPAN) соединяют устройства в пределах относительно небольшой области, которая обычно находится в пределах досягаемости человека. [9] Например, как радио Bluetooth , так и невидимый инфракрасный свет обеспечивают WPAN для соединения гарнитуры с ноутбуком. Zigbee также поддерживает приложения WPAN. [10] Wi-Fi PAN становятся обычным явлением (2010), поскольку разработчики оборудования начинают интегрировать Wi-Fi в различные потребительские электронные устройства. Возможности Intel «My WiFi» и Windows 7 «virtual Wi-Fi» сделали Wi-Fi PAN более простыми и легкими в установке и настройке. [11]
Беспроводная локальная сеть (WLAN) связывает два или более устройств на небольшом расстоянии с помощью метода беспроводного распределения, обычно обеспечивая соединение через точку доступа для доступа в Интернет. Использование технологий расширения спектра или OFDM может позволить пользователям перемещаться в пределах локальной зоны покрытия и при этом оставаться подключенными к сети.
Продукты, использующие стандарты IEEE 802.11 WLAN, продаются под торговой маркой Wi-Fi . Технология фиксированной беспроводной связи реализует двухточечные соединения между компьютерами или сетями в двух удаленных местах, часто с использованием выделенных микроволновых или модулированных лазерных световых лучей по путям прямой видимости . Она часто используется в городах для соединения сетей в двух или более зданиях без установки проводного соединения. Чтобы подключиться к Wi-Fi с помощью мобильного устройства, можно использовать устройство, например беспроводной маршрутизатор , или функцию частной точки доступа другого мобильного устройства.
Беспроводная сеть ad hoc, также известная как беспроводная ячеистая сеть или мобильная сеть ad hoc (MANET), представляет собой беспроводную сеть, состоящую из радиоузлов, организованных в топологии ячеистой сети. Каждый узел пересылает сообщения от имени других узлов, и каждый узел выполняет маршрутизацию. [12] Сети ad hoc могут «самовосстанавливаться», автоматически перенаправляясь вокруг узла, потерявшего питание. Для реализации мобильных сетей ad hoc необходимы различные протоколы сетевого уровня, такие как маршрутизация Distance Sequenced Distance Vector, маршрутизация Associativity-Based , маршрутизация Ad hoc on-demand Distance-Vector и маршрутизация Dynamic Source .
Беспроводные городские сети — это тип беспроводной сети, объединяющий несколько беспроводных локальных сетей.
Беспроводные глобальные сети — это беспроводные сети, которые обычно охватывают большие площади, например, между соседними городами или городом и пригородом. Эти сети могут использоваться для соединения филиалов компаний или в качестве общедоступной системы доступа в Интернет. Беспроводные соединения между точками доступа обычно представляют собой микроволновые линии связи точка-точка с использованием параболических антенн в диапазоне 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, а не всенаправленных антенн, используемых в небольших сетях. Типичная система содержит шлюзы базовых станций, точки доступа и беспроводные мостовые реле. Другие конфигурации представляют собой сетчатые системы, в которых каждая точка доступа также действует как реле. В сочетании с системами возобновляемой энергии, такими как фотоэлектрические солнечные панели или ветровые системы, они могут быть автономными системами.
Сотовая сеть или мобильная сеть — это радиосеть, распределенная по территориям, называемым ячейками, каждая из которых обслуживается по крайней мере одним фиксированным приемопередатчиком , известным как сотовый узел или базовая станция . В сотовой сети каждая ячейка обычно использует другой набор радиочастот из всех своих непосредственных соседних ячеек, чтобы избежать любых помех.
При объединении эти ячейки обеспечивают радиопокрытие на большой географической территории. Это позволяет большому количеству портативных приемопередатчиков (например, мобильных телефонов, пейджеров и т. д.) связываться друг с другом и со стационарными приемопередатчиками и телефонами в любой точке сети через базовые станции, даже если некоторые из приемопередатчиков перемещаются через более чем одну ячейку во время передачи.
Хотя изначально сети сотовой связи предназначались для сотовых телефонов, с развитием смартфонов они стали регулярно передавать данные в дополнение к телефонным разговорам:
Частные сети LTE/5G используют лицензированный, общий или нелицензируемый беспроводной спектр благодаря базовым станциям сотовой сети LTE или 5G, малым сотам и другой инфраструктуре сетей радиодоступа (RAN) для передачи голоса и данных на периферийные устройства (смартфоны, встроенные модули, маршрутизаторы и шлюзы).
3GPP определяет частные сети 5G как непубличные сети, которые обычно используют развертывание меньшего масштаба для удовлетворения потребностей организации в надежности, доступности и удобстве обслуживания.
Открытые частные сети основаны на совместном программном обеспечении, разрабатываемом сообществом, которое использует экспертную оценку и производство для использования, изменения и распространения исходного кода.
Глобальная сеть (GAN) — это сеть, используемая для поддержки мобильной связи через произвольное количество беспроводных локальных сетей, зон покрытия спутников и т. д. Ключевой проблемой в мобильной связи является передача пользовательских сообщений из одной локальной зоны покрытия в другую. В проекте IEEE 802 это подразумевает последовательность наземных беспроводных локальных сетей . [15]
Космические сети — это сети, используемые для связи между космическими аппаратами, обычно в непосредственной близости от Земли. Примером этого является Космическая сеть НАСА .
Некоторые примеры использования включают сотовые телефоны, которые являются частью повседневных беспроводных сетей, что позволяет легко осуществлять персональную связь. Другой пример, межконтинентальные сетевые системы, используют радиоспутники для связи по всему миру. Экстренные службы , такие как полиция, также используют беспроводные сети для эффективной связи. Частные лица и предприятия используют беспроводные сети для быстрой отправки и обмена данными, будь то в небольшом офисном здании или по всему миру.
В общем смысле, беспроводные сети предлагают широкий спектр применения как корпоративным, так и домашним пользователям. [16]
«Сейчас отрасль принимает несколько различных беспроводных технологий. Каждая беспроводная технология определяется стандартом, который описывает уникальные функции как на физическом, так и на канальном уровнях модели OSI . Эти стандарты различаются по своим указанным методам сигнализации, географическим диапазонам и использованию частот, среди прочего. Такие различия могут сделать некоторые технологии более подходящими для домашних сетей, а другие — для сетей более крупных организаций». [16]
Каждый стандарт отличается географическим диапазоном, что делает один стандарт более идеальным, чем другой, в зависимости от того, чего именно вы пытаетесь достичь с помощью беспроводной сети. [16] Производительность беспроводных сетей удовлетворяет различным приложениям, таким как голос и видео. Использование этой технологии также дает возможность для расширений, таких как технологии 2G и 3G , а также технологии 4G и 5G , которые обозначают четвертое и пятое поколение стандартов мобильной связи для сотовых телефонов. Поскольку беспроводные сети стали обычным явлением, сложность увеличивается за счет конфигурации сетевого оборудования и программного обеспечения, и достигается большая способность отправлять и получать большие объемы данных быстрее. Теперь беспроводная сеть работает на LTE, который является стандартом мобильной связи 4G. Пользователи сети LTE должны иметь скорость передачи данных в 10 раз выше, чем в сети 3G. [17]
Пространство — еще одна характеристика беспроводной сети. Беспроводные сети предлагают множество преимуществ, когда дело касается труднодоступных для проводного соединения областей, например, через улицу или реку, склад на другой стороне помещения или здания, которые физически разделены, но работают как единое целое. [17] Беспроводные сети позволяют пользователям назначать определенное пространство, в котором сеть сможет связываться с другими устройствами через эту сеть.
Пространство в домах также освобождается за счет устранения беспорядка проводов. [18] Эта технология позволяет использовать альтернативу установке физических сетевых сред, таких как TP , коаксиальные кабели или оптоволокно , которые также могут быть дорогими.
Для домовладельцев беспроводная технология является эффективным вариантом по сравнению с Ethernet для совместного использования принтеров, сканеров и высокоскоростных подключений к Интернету. WLAN помогают сэкономить на установке кабельных сред, сэкономить время на физической установке, а также обеспечивают мобильность для устройств, подключенных к сети. [18] Беспроводные сети просты и требуют всего лишь одной беспроводной точки доступа, подключенной напрямую к Интернету через маршрутизатор . [16]
Телекоммуникационная сеть на физическом уровне также состоит из множества взаимосвязанных проводных сетевых элементов (NE). Эти NE могут быть автономными системами или продуктами, которые либо поставляются одним производителем, либо собираются поставщиком услуг (пользователем) или системным интегратором из деталей от нескольких разных производителей.
Беспроводные сетевые элементы — это продукты и устройства, используемые оператором беспроводной связи для поддержки транзитной сети, а также мобильного коммутационного центра (MSC).
Надежность беспроводного обслуживания зависит от защиты сетевых элементов на физическом уровне от всех операционных сред и приложений (см. GR-3171, Общие требования к сетевым элементам, используемым в беспроводных сетях – Критерии физического уровня ). [19]
Особенно важны NE, которые расположены на вышке сотовой связи в шкафу базовой станции (BS). Крепежное оборудование и позиционирование антенны и связанных с ней затворов и кабелей должны обладать достаточной прочностью, надежностью, коррозионной стойкостью и устойчивостью к ветру, штормам, обледенению и другим погодным условиям. Требования к отдельным компонентам, таким как оборудование, кабели, разъемы и затворы, должны учитывать конструкцию, к которой они крепятся.
По сравнению с проводными системами беспроводные сети часто подвержены электромагнитным помехам . Это может быть вызвано другими сетями или другими типами оборудования, которые генерируют радиоволны, находящиеся в пределах или близко к радиодиапазонам, используемым для связи. Помехи могут ухудшить сигнал или привести к сбою системы. [4]
Некоторые материалы вызывают поглощение электромагнитных волн, не давая им достичь приемника, в других случаях, особенно с металлическими или проводящими материалами, происходит отражение. Это может привести к появлению мертвых зон, где прием невозможен. Теплоизоляция из алюминиевой фольги в современных домах может легко снизить внутренние мобильные сигналы на 10 дБ, что часто приводит к жалобам на плохой прием сигналов междугородней сотовой связи.
При многолучевом замирании два или более различных маршрута прохождения сигнала из-за отражений могут привести к тому, что сигнал будет гасить друг друга в одних местах и усиливаться в других местах ( затухание ).
Проблема скрытого узла возникает в некоторых типах сетей, когда узел виден из беспроводной точки доступа (AP), но не из других узлов, взаимодействующих с этой AP. Это приводит к трудностям в управлении доступом к среде (коллизиям).
Проблема открытого терминала возникает, когда узел в одной сети не может отправить данные из-за помех на соседнем канале от узла, который находится в другой сети.
Беспроводной спектр является ограниченным ресурсом и совместно используется всеми узлами в диапазоне его передатчиков. Распределение полосы пропускания становится сложным при наличии нескольких участвующих пользователей. Часто пользователи не знают, что объявленные цифры (например, для оборудования IEEE 802.11 или сетей LTE ) не являются их емкостью, а делятся со всеми другими пользователями, и, таким образом, индивидуальный тариф пользователя намного ниже. С ростом спроса все более и более вероятно возникновение кризиса емкости . User-in-the-loop (UIL) может быть альтернативным решением для постоянного обновления до более новых технологий для избыточного предоставления .
Теорема Шеннона может описать максимальную скорость передачи данных любого отдельного беспроводного канала, которая связана с полосой пропускания в герцах и шумом на канале.
Можно значительно увеличить пропускную способность канала, используя технологию MIMO , когда несколько антенн или несколько частот могут использовать несколько путей к приемнику для достижения гораздо более высокой пропускной способности — пропорционально произведению частоты и разнесения антенн на каждом конце.
В Linux настройками каналов управляет Центральный агент регуляторного домена (CRDA). [20]
Общая пропускная способность сети зависит от того, насколько дисперсивна среда (более дисперсионная среда, как правило, имеет лучшую общую пропускную способность, поскольку она минимизирует помехи), от того, сколько частот доступно, насколько эти частоты зашумлены, от того, сколько антенн используется и используется ли направленная антенна, используют ли узлы управление питанием и т. д.
Сотовые беспроводные сети обычно имеют хорошую емкость, благодаря использованию направленных антенн и возможности повторно использовать радиоканалы в несмежных ячейках. Кроме того, ячейки можно сделать очень маленькими, используя маломощные передатчики, что используется в городах для обеспечения емкости сети, которая линейно масштабируется с плотностью населения. [4]
Точки беспроводного доступа также часто находятся близко к людям, но падение мощности с расстоянием происходит быстро, следуя закону обратных квадратов . [21] Позиция Агентства по охране здоровья Соединенного Королевства (HPA) заключается в том, что «...воздействие радиочастот (РЧ) от WiFi, вероятно, будет ниже, чем от мобильных телефонов». Оно также не увидело «...нет причин, по которым школы и другие учреждения не должны использовать оборудование WiFi». [22] В октябре 2007 года HPA начало новое «систематическое» исследование эффектов сетей WiFi от имени правительства Великобритании, чтобы успокоить опасения, которые появлялись в СМИ в недавний период до этого времени». [23] Доктор Майкл Кларк из HPA говорит, что опубликованные исследования мобильных телефонов и вышек не являются обвинительным заключением против WiFi. [24]
[…] Центральный агент регуляторного домена (CRDA) […] контролирует каналы, которые должны быть установлены в системе, на основе правил каждой страны.
экспертные обзоры, проведенные здесь и за рубежом, указывают на то, что беспроводные сети вряд ли представляют опасность для здоровья. … Когда мы проводили измерения в школах, типичное воздействие от WiFi составляло около 20 миллионных от международных рекомендуемых уровней воздействия радиации. Для сравнения, ребенок с мобильным телефоном получал до 50 процентов рекомендуемых уровней. Таким образом, год, проведенный в классе рядом с беспроводной сетью, примерно эквивалентен 20 минутам разговора по мобильному телефону. Если WiFi следует убрать из школ, то и мобильную телефонную сеть следует отключить, а также FM-радио и телевидение, поскольку сила их сигналов аналогична силе сигналов от WiFi в классах....[ мертвая ссылка ]