Беспроводная передача данных: типы, технология и устройства

Расположение беспроводного маршрутизатора в сети

Беспроводной маршрутизатор следует расположить там, где он сможет принимать мощный сигнал с минимальными помехами. Для получения наилучших результатов воспользуйтесь следующими советами.

1. Расположите беспроводной маршрутизатор в центре
   . Маршрутизатор следует расположить ближе к центру дома, чтобы обеспечить мощный беспроводной сигнал во всем доме.
2. Не размещайте беспроводной маршрутизатор на полу или рядом со стенами и металлическими предметами
   , например металлическими картотеками. Чем меньше физических препятствий между компьютером и маршрутизатором, тем сильнее будет сигнал маршрутизатора.
3. Уменьшите помехи
   . В сетевом оборудовании стандарта «802.11g» используется радиочастота 2,4 гигагерц (ГГц). На этой частоте обычно работают микроволновые печи и многие беспроводные телефоны. При включении микроволновой печи или поступлении вызова на беспроводной телефон сигнал беспроводной сети может временно прерваться. Большинству этих проблем можно избежать, используя беспроводной телефон с высокой частотой (например, 5,8 ГГц).

Wi-Fi

Стандарт беспроводной передачи данных Wi-Fi был создан специально для объединения нескольких компьютеров в единую локальную сеть. Обычные проводные сети требуют прокладки множества кабелей через стены, потолки и перегородки внутри помещений. Также имеются определенные ограничения на расположение устройств в пространстве. Беспроводные сети Wi-Fi лишены этих недостатков: можно добавлять компьютеры и прочие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. Для передачи информации беспроводные устройства Wi-Fi используют радиоволны из спектра частот, определенных стандартом IEEE 802.11. Существует четыре разновидности стандарта Wi-Fi (табл. 4). 802.11n поддерживает работу сразу в двух частотных диапазонах одновременно на четыре антенны. Суммарная скорость передачи данных при этом достигается 150–600 Мбит/с.

Плюсы и минусы

Сформулируем некоторые ключевые особенности стандарта Wi-Fi. К его достоинствам относятся:

• высокая скорость передачи данных;
• компактность;
• большое разнообразие модулей под разные задачи;
• высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей;
• защита передаваемых данных.

Основные недостатки таковы:

• большое энергопотребление и невозможность работы в течение длительного времени от автономных источников питания;
• относительно высокая стоимость (по сравнению с Bluetooth и ZigBee).

Области применения

Характерные особенности стандарта Wi-Fi диктуют основные области его применения. Это:

• Автомобильная электроника. Модули Wi-Fi могут применяться в системах мониторинга автотранспорта и в бортовых автомобильных системах, поскольку тут практически отсутствуют ограничения по потреблению энергии.
• Системы удаленного управления и телеметрии. Модули Wi-Fi могут применяться наряду с модулями технологий Bluetooth, ZigBee, Short Range RF 434/868 МГц. Главные преимущества — высокая скорость передачи данных и высокий уровень стандартизации.
• Компьютерная и офисная техника. Построение компьютерных сетей для обмена большими потоками данных с высоким уровнем безопасности.

Все перечисленные применения в одинаковой мере актуальны для России и других стран с достаточным уровнем технического оснащения.

Устройства Wi-Fi

Одним из наиболее популярных в России производителей модулей Wi-Fi является тайваньская компания WIZnet. В линейке ее продукции присутствует четыре их основных разновидности (табл. 5). Модуль WIZ610wi  был одной из первых разработок компании. В нем имеется богатый функционал, предоставляемый встроенным стеком Wi-Fi высокого уровня с поддержкой командного интерфейса. Но модуль имел некоторые технические проблемы: очень высокое энергопотребление, сильный нагрев во время работы и большое время загрузки после включения питания. Большинство этих проблем было устранено в модуле WIZ620wi , который, по сути, представляет собой улучшенную и усовершенствованную версию модуля WIZ610wi. Кроме того, WIZ620wi стал поддерживать Wi-Fi 802.11n (2,4 ГГц), на что не был способен его предшественник.

Модуль WizFi210  — самый новый и самый перспективный в линейке. Функционал его ограничен только поддержкой режима работы Serial–Wi-Fi, благодаря чему удалось значительно снизить энергопотребление устройства. Добавлены режимы пониженного энергопотребления (в режиме Standby всего 5 мкА). По этим показателям модуль приближается к некоторым разновидностям модулей Bluetooth и даже ZigBee. Это еще один пример попытки нескольких беспроводных стандартов Short Range RF вступить в конкуренцию.

Модуль WizFi220 — полный аналог модуля WizFi210, но с увеличенной выходной мощностью. Дальность связи может достигать нескольких сотен метров, что позволит ему в ряде случаев конкурировать с модулями, поддерживающими радиосвязь в частотных диапазонах 434/868 МГц и с Bluetooth-модулем WT41 компании Bluegiga (табл. 3).

История появления и перспективы развития беспроводных сетей

В 80-х годах прошлого века появился стандарт цифровой передачи данных GSM. На котором до сих пор работают почти все операторы мобильной связи. Это можно считать отправной точкой развития беспроводных сетевых технологий. Данный протокол стремительно совершенствовался, и в 1997 году появилась новая технология обмена информацией на расстоянии без необходимости использования проводов. Такая технология получила название IEEE 802.11, который более известный широкому кругу людей как WiFi.

С момента появления первого варианта 802.11а в 90-х годах прошлого века прошло не много времени, появились более совершенные технологии, увеличилась скорость и качество перемещения данных. Беспроводными сетями окутан практически все здания, офисы и промышленные предприятия. Ожидается переход на более новая спецификация 802.16, который получил название WiMax. Эта технология позволяет значительно расширить диапазон подключения с нескольких десятком метров по WiFi, до десятков километров без потери качества и скорости. Конечно эта технология будет по началу дорогостоящей, но со временем все мобильные устройства планируется оснащать радиомодулем WiMax.

Положительные и отрицательные стороны беспроводного и проводного интернета

Выбирая способ подключения к глобальной сети, нужно учитывать, какое количество устройств будет регулярно использоваться для выхода в интернет. Для создания домашней сети и офисной сети (когда нужна облачная инфраструктура) могут быть использованы разные типы подключения к интернету. Проводное подключение не утратило своих позиций, хотя и требует разводки кабелей к каждому рабочему месту. Однако в последнее время намечается тенденция предпочтения беспроводного подключения в домах пользователей, развитие которого в значительной мере связано с компанией Intel, которая сделала беспроводной адаптер обязательным для ноутбуков (в начале 2000-х годов). Но действительно ли так хорошо беспроводное подключение? Для этого стоит проанализировать все аспекты: как положительные, так и отрицательные проводного и беспроводного интернета.

Беспроводной интернет

К преимуществам беспроводного подключения относятся:

► Быстрота подключения.

► Чтобы выйти в глобальную сеть, достаточно приобрести устройство для раздачи сигнала.

► Возможность подключения нескольких устройств к одной точке доступа.

► Удобство пользования. Отсутствие проводов и кабелей облегчает процесс работы за персональным компьютерным устройством.

Отрицательные стороны беспроводного интернета:

► В виду того, что одновременно интернет может раздаваться на несколько устройств, его скорость будет распределяться между ними. Не всегда это распределение происходит поровну, поэтому загрузка веб-страниц будет происходить дольше.

► Ухудшать скорость беспроводного интернета могут стены, габаритная мебель, другие беспроводные сети, работающие в том же частотном диапазоне.

► Подверженность взломам. Точки доступа Wi-Fi с низкой надежностью легко взломать, тем самым, нарушить качество работы в сети.

Необходимая оговорка

По приведенному списку плюсов и минусов получается так, что проводная сеть выглядит гораздо предпочтительнее беспроводной. Ну, абстрактно это действительно так: если нужна именно «скорость, стабильность и надежность», то приходится выбирать проводное подключение. Но у Wi-Fi есть огромное преимущество, которое перевешивает многие недостатки. Это преимущество – удобство.

Многие работодатели склонны его преуменьшать, мол «и на своем месте посидит, не развалится». Удобство – с одной стороны, штука эфемерная, ее в цифрах не выразишь. С другой стороны, при комфортных условиях работы работник, как правило, больше делает и меньше устает. Но решение нужно принимать исходя из того, чем занят сотрудник. Для инженера, который работает на ПК с двумя большими мониторами, и при этом постоянно работает с проектами по сети – проводное подключение является наилучшим выбором. А для менеджера по продажам, который проводит в офисе мало времени и не нуждается в отдельном рабочем месте, лучше организовать беспроводной доступ. Это лишь один из примеров, на самом деле их гораздо больше.

Преимущество беспроводных технологий

Основным преимуществом беспроводных систем является то, что они могут быть установлены эффективно, оперативно и без значительных затрат практически в любом месте. Измерительные преобразователи с автономным питанием не требуют проводной инфраструктуры или локальных ИП, поэтому могут находиться на удалении от проводной промышленной шины и сети питания, обслуживающей рассматриваемую технологическую единицу. Они также могут быть установлены в таких местах, где организация питания или прокладка кабеля будут слишком затратными или опасными. Такая универсальность применения означает, что преимущества от беспроводных решений можно получить как на проектах нового капитального строительства, так и при модернизации существующих производственных мощностей.

На проектах нового капитального строительства обычно от 10 до 20% традиционных проводных сигнальных каналов заменяются на беспроводные. Подрядчики и владельцы предприятий считают грамотно организованную беспроводную сеть преимуществом с точки зрения сокращения объемов аппаратной инфраструктуры. Они также используют беспроводную технологию для управления рисками сбоя графика ввода в эксплуатацию объекта и управления затратами.

Беспроводные решения уменьшают негативные последствия нарушения графика или роста затрат, поскольку всегда имеется возможность расширения границ проекта и установки дополнительных устройств ввода/вывода по мере строительства. Чем позднее в проект вносятся изменения, тем больше риск срыва графика проекта и выхода за рамки бюджета. Беспроводные решения обычно легче адаптировать к таким изменениям, чем промышленные шины.

Довольно часто из конструкции строящегося нового и модернизируемого старого проекта убирают дополнительные измерения, поскольку это значительно скажется на капитальных затратах. Если в таких измерениях возникает потребность позже, установка проводных КИП может быть гораздо дороже беспроводных решений. На таких проектах по модернизации существующих производств беспроводные технологии являются отличным способом поддержания программы совершенствования операционной деятельности с целью повышения производительности объекта и безопасности, а также обеспечения соответствия принимаемому законодательству в области безопасности и защиты окружающей среды.

Беспроводная сеть предприятия может быть развернута с минимальным вмешательством в основную инфраструктуру (проводка, кабельные каналы, лотки и т. п.). Прокладка дополнительной проводки к существующим объектам может быть затратной, а вмешательство в работу давно используемых систем может привести к непредвиденным последствиям, таким как нарушение передачи сигнала.

Благодаря низкому энергопотреблению устройств WirelessHART они могут работать несколько лет без замены элемента питания. Регулируемое время обновления данных экономит заряд элемента питания путем выбора наиболее подходящего для конкретного процесса времени опроса, которое составляет, как правило, от одной секунды до одного часа. Большинство решений в настоящее время выполняют задачи по мониторингу и таким образом не требуют частых обновлений. Измерительные преобразователи WirelessHART могут при определенных обстоятельствах использоваться для управления в режиме реального времени, но при этом требуется высокая частота обновления, что в некоторых случаях делает необходимым подвод сетевого питания.

Беспроводные средства измерений, работающие при температурах от –55 °С, позволяют автоматизировать труднодоступные объекты, расположенные в жестких погодных условиях субарктического климатического пояса. Теперь для получения достоверной информации о состоянии объектов и оборудования не нужно устанавливать дорогостоящие обогреваемые шкафы. Это позволяет сократить затраты на автоматизацию технологических процессов в суровых условиях более чем на 20%. Низкотемпературные беспроводные решения решают задачи по обеспечению безопасности персонала, исключая выход специалистов в мороз на участок повышенной опасности. Эти задачи наиболее актуальны для удаленных и высотных объектов.

Многие проекты становятся привлекательными в плане показателей ROI при использовании беспроводных технологий, поскольку не требуют прокладки проводных промышленных шин и связанных с этим дополнительных затрат на установку и обслуживание. В таких ситуациях беспроводные решения могут быстро обеспечить возврат инвестиций и ускорить получение прибыли.

Поддержка WLAN в ПО

• В ОС семейства Microsoft Windows поддержка Wi-Fi обеспечивается, в зависимости от версии, либо посредством драйверов, качество которых зависит от поставщика, либо средствами самой Windows.
  • Ранние версии Windows, такие как Windows 2000 и младше, не содержат встроенных средств для настройки и управления, и тут ситуация зависит от поставщика оборудования.
  • Microsoft Windows XP поддерживает настройку беспроводных устройств. И хотя первоначальная версия включала довольно слабую поддержку, она значительно улучшилась с выходом Service Pack 2, а с выходом Service Pack 3 была добавлена поддержка WPA2.
  • Microsoft Windows Vista содержит улучшенную по сравнению с Windows XP поддержку Wi-Fi.
  • Microsoft Windows 7 поддерживает все современные на момент её выхода беспроводные устройства и протоколы шифрования.

Спутниковая беспроводная связь

Завершаются виды беспроводной связи, которые будут полностью представлены на выставке «Связь-2016» в «Экспоцентре», спутниковыми системами. Говоря об этих технологиях, стоит упомянуть уже известные всем Глонасс — спутниковую навигационную систему, созданную в России, и систему такого же плана, созданную в США, — GPS.

Не так известны, но очень важны Prodat — спутниковая система связи наземных объектов — или, к примеру, Omnitracs, позволяющая управлять и контролировать транспортные перевозки. Но чтобы разобраться во всех вопросах данной темы, необходимо лично посетить выставку «Связь-2016» в «Экспоцентре».

Технологии и стандарты

Вернемся теперь к самому процессу переключения между точками доступа. В стандартной ситуации клиент будет максимально долго (насколько это возможно) поддерживать существующую ассоциацию с точкой доступа. Ровно до тех пор, пока уровень сигнала позволяет это делать. Как только возникнет ситуация, что клиент более не может поддерживать старую ассоциацию, запустится процедура переключения, описанная ранее. Однако handover не происходит мгновенно, для его завершения обычно требуется более 100 мс, а это уже заметная величина. Существует несколько стандартов управления радиоресурсами рабочей группы IEEE 802.11, направленных на улучшение времени повторного подключения к беспроводной сети: k, r и v. В нашей линейке Auranet поддержка 802.11k реализована на точке доступа CAP1200, а в линейке Omada на точках доступа EAP225 и EAP225-Outdoor реализованы протоколы 802.11k и 802.11v.
 

802.11k

Данный стандарт позволяет беспроводной сети сообщать клиентским устройствам список соседних точек доступа и номеров каналов, на которых они работают. Сформированный список соседних точек позволяет ускорить поиск кандидатов для переключения. Если сигнал текущей точки доступа ослабевает (например, клиент удаляется), устройство будет искать соседние точки доступа из этого списка.
 

802.11r

Версия r стандарта определяет функцию FT — Fast Transition (Fast Basic Service Set Transition — быстрая передача набора базовых служб), позволяющую ускорить процедуру аутентификации клиента. FT может использоваться при переключении беспроводного клиента с одной точки доступа на другую в рамках одной сети. Могут поддерживаться оба метода аутентификации: PSK (Preshared Key — общий ключ) и IEEE 802.1Х. Ускорение осуществляется за счет сохранения ключей шифрования на всех точках доступа, то есть клиенту не требуется при роуминге проходить полную процедуру аутентификации с привлечением удаленного сервера.
 

802.11v

Данный стандарт (Wireless Network Management) позволяет беспроводным клиентам обмениваться служебными данными для улучшения общей производительности беспроводной сети. Одной из наиболее используемых опций является BTM (BSS Transition Management).
Обычно беспроводной клиент измеряет параметры своего подключения к точке доступа для принятия решения о роуминге. Это означает, что клиент не имеет информации о том, что происходит с самой точкой доступа: количество подключенных клиентов, загрузка устройства, запланированные перезагрузки и т. д. С помощью BTM точка доступа может направить запрос клиенту на переключение к другой точке с лучшими условиями работы, пусть даже с несколько худшим сигналом. Таким образом, стандарт 802.11v не направлен непосредственно на ускорение процесса переключения клиентского беспроводного устройства, однако в сочетании с 802.11k и 802.11r обеспечивает более быструю работу программ и повышает удобство работы с беспроводными сетями Wi-Fi.
 

Как настроить и подключить беспроводное сетевое соединение

Настройка и подключение беспроводного Интернета во многом зависят от типа используемой технологии. Чаще всего в современных устройствах уже предварительно выполнены все подключения, и дополнительной настройки вручную не требуется.

Если же необходимо настроить Wi-Fi соединения, то рекомендуется следовать определенным инструкциям. Например, многие задают вопрос, как настроить беспроводное подключение на ноутбуке с ОС Windows 7. На самом деле сделать это очень просто. Для этого достаточно выполнить определенную последовательность действий:

1. Подключить роутер к кабелю, чтобы появилась точка доступа.
2. Настроить модем. Для дополнительной защиты, помимо логина, установить пароль сети.
3. Включить ноутбук и немного подождать. Необходимо время на то, чтобы роутер смог его обнаружить.
4. На компьютере в списке беспроводных сетей выбрать свою, ввести логин и пароль. Если все сделано правильно, то ПК подключится к Интернету.

Наглядно процесс подключения выглядит так

Обратите внимание! Иногда могут возникнуть проблемы подключения. Чаще всего исправить их просто — нужно скачать необходимые драйверы или обновить существующие

Беспроводное соединение является самым современным видом подключения Интернета и в настоящее время используется практически во всех устройствах. Существуют разные виды, которые подходят для тех или иных условий. Настроить такую сеть легко и просто, если следовать инструкции.

История

Норман Абрамсон, профессор Гавайского Университета, разработал первую в мире беспроводную сеть — ALOHAnet, работавшую в 1971 году и использовавшую дешёвые радиолюбительские передатчики. Сеть включала 7 компьютеров, расположенных на 4 островах и соединённых с цетральным копьютером на острове Оаху без использования проводных линий.

Оборудование для беспроводных локальных сетей изначально стоило много и использовалось только там, где прокладка кабеля была сложной или невозможной. Раннее развитие включала различные отраслевые стандарты и проприетарные протоколы, но в конце 90х они были заменены стандартами, в основном — различными версиями IEEE 802.11 (под брендом Wi-Fi). Начиная с 1991 года Европейский институт телекоммуникационных стандартов начал разработку стандарта HiperLAN/1, а затем и HiperLAN/2, закончив их разработку соотвественно в 1996 и 2000 годах. Оба европейских стандарта не получили такого коммерческого успеха, как 802.11, хотя часть работы над стандартом HiperLAN/2 была использована в качестве физического уровня (PHY) для стандарта IEEE 802.11a.

В 2009 году в стандарт 802.11 был добавлен 802.11n, работающий как в диапазоне 2.4ГГц, так и 5ГГц, с максимальной скоростью до 600Мбит/с. Многие современные роутеры могут использовать оба диапазона одновременно («dualband»), что позволяет избегать активно используемого 2.4ГГц диапазона, в котором также работают Bluetooth-устройства и микроволновые печи. Также, диапазон 5ГГц шире, чем 2.4ГГц — содержит больше каналов, что позволяет беспрепятственно работать большему количеству устройств в одном месте. Не все каналы доступны во всех странах.

C 1997 по 2003 год разрабатывался стандарт беспроводных сетей HomeRF, предназначенный для домашнего использования. Консорциум компаний, занимавшийся разработкой этого стандарта, включал в себя такие компании, как Proxim Wireless, Intel, Siemens AG, Motorola, Philips и был распущен в 2003 году в связи с широкой доступностью других стандартов (Wi-Fi) домашним пользователям, а также их встроенной поддержкой в ОС Windows.

Возможно, вам также будет интересно

В простейшем случае система передачи данных состоит из двух GSM-терминалов, подключенных к сети. Под GSM-терминалом будем понимать компьютер или контроллер с подключенным к нему GSM-модемом. Допустим, один из терминалов является «клиентом», а другой — «сервером». Эти названия достаточно условны, поскольку клиент и сервер в принципе могут обмениваться данными как угодно. В качестве GSM-модема в настоящее

В течение последних двух лет ощущается растущий интерес разработчиков радиоэлектронной аппаратуры к стандартам и технологиям беспроводной связи на коротких расстояниях: Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi и в частотных диапазонах 434/868 МГц. Для удобства далее данную группу стандартов будем называть Short Range RF. Для каждого стандарта группы Short Range RF существует большое многообразие радиочастотных модулей различного уровня готовности, отличающихся друг от друга техническими параметрами и характеристиками.

В статье приведена краткая информация о технологии SmartMesh IP и модулях для ее реализации, выпускаемых компанией Analog Devices и предназначенных для организации сенсорных сетей промышленных систем IoT, которые обеспечивают высокую достоверность передачи данных при работе в сложных условиях значительных радиопомех. Универсальность модулей и их технические характеристики позволяют создавать масштабируемые сенсорные сети с использованием модулей только двух типов.

434/868 МГц

Иногда на практике встречаются ситуации, когда ни один из существующих стандартов беспроводной связи Short Range RF не удовлетворяет требованиям приложения разработчика. Специально для таких случаев во всем мире существует группа радиочастотных диапазонов 434/868 МГц, открытых для свободного использования, в которых не существует стандартов беспроводной связи. Устройства для передачи данных на этих РЧ имеют следующие отличительные особенности:

Плюсы и минусы

Бесспорные достоинства Short Range RF 434/868 МГц:

• высокая дальность (до 10 км);
• ультранизкое энергопотребление (возможна автономная работа от батарейки до 10 лет);
• возможность беспрепятственной разработки собственного стека.

Недостатки:

невысокая скорость передачи данных (до нескольких десятков кбит/с).

Области применения

Характерные особенности технологий 434/868 МГц ограничивают их применение следующими областями:

• Системы контроля доступа и безопасности:
  – бесконтактные ключи и карты доступа;
  – автомобильные сигнализации.
• Бытовая электроника:
  – пульты дистанционного управления;
  – беспроводные станции погодного мониторинга;
  – радиоуправляемые игрушки;
  – персональные пейджеры.
• Системы домашней автоматизации.

Устройства для РЧ-диапазона 434/868 МГц

Telit пошла по пути стандартизации радиосвязи в частотных диапазонах 434/868 МГц . Продукция этой компании представляет собой полноценные программно-аппаратные заготовки в виде модулей со встроенным стеком собственной разработки для максимального ускорения и удешевления процесса разработки, производства и вывода на рынок конечного продукта (рис. 3).

Рис. 3. Идеология компании Telit при разработке решений для радиочастотного диапазона 434/868 МГц

В линейке продукции Telit присутствует два основных семейства: Tiny (Pro, Plus, Lite) и XE50 . Семейство Tiny является на данный момент уже устаревшим. Основная концепция данного семейства заключается в возможности свободной загрузки в модули различных разновидностей программного стека, предоставляемого Telit бесплатно по запросу. Модули семейства XE50 отличаются между собой по разновидностям заранее загруженного в них программного стека.

Модули Sim20-A и Sim20-B китайской компании SimCom имеют много общего с модулями Telit (табл. 7). Они поставляются со встроенным программным стеком универсального назначения. Поддерживаются варианты соединения «точка–точка», «звезда», сеть. Выбор конкретного типа соединения и настройка модуля для работы в сети выполняются с помощью встроенного командного интерфейса.

При продвижении своих модулей компания SimCom придерживается традиционно агрессивной ценовой политики. Можно с уверенностью сказать, что Sim20 — это самое бюджетное решение в классе модулей со встроенным программным стеком.