Оптимізація
міських бездротових мереж за допомогою технології Mesh
Бездротові мережі передачі даних відіграють
сьогодні важливу роль в житті людини. Вони заповнюють все більше ніш в нашому
житті і використовуються, насамперед, для доступу в INTERNET, також для передачі звуку та
відео з камер і мікрофонів, метео-даних для прогнозування погоди, активно
застосовується в охоронних системах, платіжних терміналах, банкоматах, використовує
їх комп’ютерна телефонія. Список можна ще довго продовжувати. З розвитком
інфраструктури і відповідно кількості абонентів гостро стає питання якості та
безперебійності доступу до мережі. Як забезпечити безперебійний та стабільний
зв’язок в межах міста? Виходом можуть стати бездротові мережі. Розглянемо технологій які найбільш перспективні і ті що використовуються.
. Технологія Wi-Fi
Відомо три основні редакції цього стандарту: 802.11а,
802.11b, 802.11g. Вони використовують різні діапазони частот і різні види
модуляції для отримання необхідного спектру:
□ 802.11а — діапазон 5 ГГЦ,
модуляція з використанням OFDM;
□ 802.11b — діапазон 2,4
ГГц, модуляція DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), розширення спектру
методом прямої послідовності;
□ 802.1 lg — діапазон 2,4
ГГц, модуляція з використанням OFDM.
Наявність Wi-Fi-зон (точок) дозволяє користувачу
підключитися до точки доступу (наприклад, до офісної, домашньої
або публічної мережі), а також підтримувати з’єднання декількох комп’ютерів між собою.
Максимальна дальність передачі сигналу у такій мережі
становить 100 метрів, однак на відкритій місцевості вона може сягати 300—400 м.
Дальність залежить від потужності передавача яка в окремих моделях обладнання
регулюється програмно, наявності та характеристики перешкод, типу антени.
Бездротовий стандарт 802.11a, використовує
частоту 5 ГГц та забезпечує максимальну швидкість 54 Мбіт/сек., бездротовий стандарт 802.11g також забезпечує
54 Мбіт/сек але працює на частоті 2,4 ГГ. Крім цього, зараз ведеться розробка
стандарту 802.11n, який у майбутньому зможе забезпечити швидкості до 320
Мбіт/сек..
Технології стільникових систем покоління 3G
Далі розглянемо деякі характеристики стільникових систем 3G-покоління. В мережах
3G забезпечується швидкість передачі даних:
·
для абонентів які рухаються зі швидкістю до 120 км/ч — не менше 144
Кбіт/сек..;
·
для абонентів з низькою швидкістю (до 3 км/ч) — 384 Кбіт/сек..;
·
для нерухомих об’єктів — 2048 Кбіт/сек..
Ці швидкості були вибрані по аналогії з швидкостями в
цифрових мережах з інтеграцією послуг ISDN. Швидкості від 144 Кбіт/с до 384
Кбіт/с в обмеженій зоні з низькою рухливістю можливо досягти за технологією GSM
EDGE. Досягнення ще більших швидкостей (до 2 Мбіт/с) вимагає розширення
виділених частот. Для мереж IMT-2000 виділені смуги частот в діапазоні 2 ГГц із
загальною смугою частот 230 Мгц. Смуга одного каналу в WCDMA складає 5 Мгц
(проти смуги 1,25 Мгц в CDMA one). Передбачається
можливість використовування смуг шириною 10 і 20 Мгц. Радіус покриття 1 базової
станції до 10 км.
Технологія WiMAX
Технологія WiMAX,
в зокрема в вирішення проблеми "останньої милі" і організації доступу
до магістралі для віддалених мереж, в багатьох рисах подібна технології Wi-Fi.
Не важко помітити, що WiMAX є наче природним розвитком Wi-Fi на більш високому
рівні. В цій технології також використовується модуляція OFDM, але кількість
піднесучих збільшена до 256 (проти 64 в Wi-Fi). Стандарти 802.16—2004 і 802.16е
призначені для роботи на частотах від 2 ГГц до 11 ГГц і дозволяють гнучко
встановлювати смуги від 1,25 Мгц до 20 Мгц. Стандартом 802.16—2004
передбачається або вживання методу з прямим розширенням спектру (тільки в
умовах прямої видимості), або вживання OFDM, більш підходить в умовах прямої і
непрямої видимості. В стандарті 802.16е використовується технологія
ортогонального частотного ущільнення OFDMA з динамічним розподілом частотних
піднесучих між терміналами користувачів, як більш пристосована для мобільного
зв’язку. При цьому визначені наступні смуги:
□ 1,25 МГц— 128 піднесучих;
□ 5 Мгц — 512 піднесучих;
□ 10 Мгц — 1024 піднесучих;
□ 20 Мгц — 2048 піднесучих.
Доступ на передачу даних в мережі WiMAX організовується
вживанням механізму множинного доступу по запиту DAMA (Demand Assignment
Multiple Access).
Швидкість передачі в системі з технологією WiMAX може
досягати 136 Мбіт/с, на практиці - 70 Мбіт/сек для стаціонарних пристроїв, а
для тих що переміщуються - до 2 Мбіт/с.
Порівняння технологій
Можна зробити
висновок що в масштабах міста найбільше підходить використання технології IEEE 802.16 так як вона здатна забезпечити достатню високу
швидкість передачі даних, має досить велику зону покриття обслуговування
клієнтів, на теперішній час також помірну ціну на обладнання для її
використання.
Рисунок 1 Порівняльна зона використання бездротових технологій
|
Технологія |
Стандарт |
Використання |
Пропускна здатність |
Радіус дії |
Частоти |
|
802.11a |
до 54 Мбіт/с |
до 100 метрів |
5,0 ГГц |
||
|
802.11b |
до 11 Мбіт/с |
до 100 метрів |
2,4 ГГц |
||
|
802.11g |
до 54 Мбіт/с |
до 100 метрів |
2,4 ГГц |
||
|
WiMax |
802.16d |
до 75 Мбіт/с |
6-10 км |
1,5-11 ГГц |
|
|
WiMax |
802.16e |
Mobile WMAN |
до 40 Мбіт/с |
1-5 км |
2.3-13.6 ГГц |
|
WiMax |
802.16m |
WMAN, Mobile WMAN |
до 1 Гбіт/с (WMAN), до 100 Мбіт/с (Mobile WMAN), на практиці трохи більше 150 Мбит/с |
Від 5 зі збереженням характеристик до 100 км |
До 6 ГГц |
|
3G |
IMT-2000 |
Mobile WMAN |
до 2 Мбіт/с |
до 10 км |
2 ГГц |
Таблиця 1 Таблиця
порівнянь стандартів
З наведеної таблиці ми бачимо, що
технологія WiMAX ввібрала найкращі
сторони розглянутих технологій. З подальшим ростом вимог абонентів до швидкості
дальності і якості обслуговування, здатності працювати в приміщеннях без умов
прямої видимості, а також при несприятливих погодних умовах з можливістю роботи
під час руху клієнта (абонента), стає очевидно її перевага.
Стає цілком зрозуміло що саме бездротові мережі WiMAX мають місце на існування і найбільше підходять для
застосування в масштабах міста, а з стрімким зниженням ціни на обладнання і
переходом великих компаній до використання даної технологій прирікає її на
успіх і подальший розвиток. В місті Черкаси, наприклад, компанією, яка вже
почала використовувати WiMAX і інтернет
провайдер «McLaut ISP». Для ефективного використання технології WiMAX
найдоцільніше буде використати технологію Mesh-мереж, це суттєво збільшить
якість обслуговування абонентів, а відповідно і їх кількість. Також збільшиться
зона дії мережі.
Mesh-
мережа
Mesh- мережа
– це багатокрокова мережа, пристрої якої (Mesh-станції, MP, Mesh-Points) володіють
функціями маршрутизатора і здатні використовувати різні шляхи для пересилки
пакету. Ця технологія стає особливо необхідною за відсутності дротової інфраструктури
для з’єднання станцій. В цьому випадку пакети пересилаються від однієї Mesh-станції
до іншої до досягнення шлюзу з дротовою мережею. Для більшої надійності станція
може мати більш, ніж одну сусідню Mesh-станцію. Ідея Mesh-мереж бере свій початок
з мобільних мереж (MANET), в яких функція маршрутизатора була реалізована на
рівні ІР. Особливістю Mesh-мереж є використання спеціальних протоколів, що
дозволяють кожній точці доступу створювати таблиці абонентів мережі з контролем
стану транспортного каналу і підтримкою динамічної маршрутизації трафіку з
оптимальним маршрутом між сусідніми станціями. При відмові будь-якої з них
відбувається автоматичне перенаправлення трафіку по іншому маршруту, що
гарантує отримання трафіка адресату за мінімальний час. Кожен абонент оснащений
радіоустаткуванням для зв’язку з Mesh-маршрутизатором. Завдяки своїм
особливостям Mesh-мережі можуть використовуватись в різних сферах.
Основна
відмінність Mesh-мережі від архітектури «крапка-багатокрапка» в тому, що якщо в
останньому випадку АС може спілкуватися тільки з БС, то в Mesh-мережі можлива
взаємодія безпосередньо між АС. Оскільки мережі стандарту IEEE 802.16
орієнтовані на роботу з широкими частотними каналами, Mesh-мережі увійшли до
стандарту зовсім не з метою створення однорангових локальних мереж – для цього
є стандарти групи IEEE 802.11. Причина в іншому: необхідний інструмент побудови
широкосмугової мережі, в якій трафік може передаватися по ланцюжку з декількох
станцій, ліквідовуючи тим самим проблеми передачі за відсутності прямої
видимості. Відповідно і всі механізми управління, що у принципі дозволяють
побудувати децентралізовану розподілену мережу, орієнтовані все ж таки на
деревовидну архітектуру, з виділеною базовою станцією (кореневий вузол) і
домінуючими потоками БС-АС.
Базове поняття в Mesh-мережі – сусіди. Під сусідами
певного вузла розуміють всі вузли, які можуть встановлювати з ним безпосереднє
з’єднання. Всі вони утворюють сусідське оточення. Вузли, пов’язані із заданим
вузлом через сусідські вузли, називають сусідами другого порядку. Можуть бути
сусіди третього порядку і т.д.
Зовнішня мережа
Рисунок 1. Приклад Mesh-мережі
Mesh – мережа має високі якості надійності і
доступності з’єднання, потенціал цієї технології дає можливість швидко і
недорого надавати користувачам широкосмуговий доступ до ресурсів. Розгортання Mesh
– мереж може коштувати набагато дешевше, ніж традиційні дротяні мережі,
оскільки вони не вимагають дорогої інфраструктури і прокладки кабелів і, окрім
цього, економна в експлуатації, оскільки, як вже наголошувалося, здатна
самовідновлюватись і само адаптуватись. В ній відсутній такий недолік як ефект “шийки
пляшки”, що є досить високим мінусом інших технологій. Також до плюсів можна
віднести досить високу надійність даної мережі: у випадку виходу одного з її
вузлів, навантаження в даній ситуації розподіляється
на сусідні (при правильному проектуванні).
Подібні
рішення підходять не тільки для міст, але і для університетів. Наприклад, в
даний час компанія Nortel, що належить до числа активістів упровадження Mesh-мереж,
працює з одним з університетів США, який, використовуючи її технології, планує
запустити мережу Wireless Mesh, покликану забезпечити викладацькому складу і
студентам захищене широкосмугове підключення усередині приміщень і на вулиці.
