11. децембар 201016

Bežične mrežne tehnologije

16.1 Uvod

Ovaj deo knjige se fokusira na mrežne tehnologije i njihovu upotrebu u sistemima paketne komutacije. Uvodi se paketna komutacija i predstavlja IEEE model. Prethodno poglavlje govori o žičanim tehnologijama koje se koriste u LAN mrežama.

Ovo poglavlje govori o bežičnim tehnologijama. Objašnjavaju se brojne bežične tehnologije koje su predložene, da se bežične komunikacije koriste na raznim udaljenostima, i da postoje mnogi komercijalni sistemi. Za razliku od situacije kod žičanog umrežavanja gde dominira jedna tehnologija, bežično umrežavanje ima mnogo tehnologija, od kojih mnoge imaju slične karakteristike.

16.2 Taksonomija bežičnih mreža

Bežična komunikacija se primenjuje u mnogim tipovima i veličinama mreža. Jedan deo razloga za ovako veliki broj je posledica regulativa koje jedan deo elektromagnetsnog spektra ostavljaju za komunikaciju. Jedan deo spektra zahteva licence, dok drugi delovi ne zahtevaju licence. Kreirano je mnogo bežičnih tehnologija, a nove varijante se konstantno pojavljuju. Bežične tehnologije se mogu klasifikovati prema vrsti mreže, kao što taksonomija na slici 16.1 pokazuje.

Slika 16.1 Taksonomija bežičnih mrežnih tehnologija

16.3 Mreže personalne oblasti (PAN)

Pored tri mrežne vrste opisane u poglavlju 13 (LAN, MAN i WAN), bežično umrežavanje uključuje i Mreže personalne oblasti (Personal Area Network – PAN). PAN tehnologija obezbeđuje komunikaciju na kratke udaljenosti, i namenjena je za uređaje koje poseduje i sa kojima radi jedna osoba. Na primer, PAN može obezbediti komunikaciju između bežičnih slušalica i mobilnog telefona. PAN tehnologije se takođe koriste između kompjutera i bežičnog miša ili tastature.

PAN tehnologije se mogu grupisati u tri kategorije. Slika 16.2 prikazuje te kategorije, i daje kratak opis svake; u narednim delovima se objašnjava PAN komunikacija detaljnije, i prikazuju se PAN standardi.

Vrsta Namena Blutut

(Bluetooth)Komunikacija na malim rastojanjima između malog perifernog uređaja kao što su slušalice ili miš i sistema kao što je mobilni telefon ili kompjuter

Infra crveno (InfraRed)

Komunikacija u vidnom pulju između malog uređaja i sistema koji je blizu kao što je kompjuter ili neki zabavni centar

Bežični ISMKomunikacija koja koristi frekvencije postavljene za Industrijsko naučne i medicinske uređaje, okruženje gde može biti prisutno elektromagnetno ometanje

Slika 16.2 Tri osnovne vrste bežičnih PAN mrežnih tehnologija

16.4 ISM bežični opsezi koje koriste LAN i PAN mreže

Vlade su rezervisale tri područja elektromagnetnog spektra za upotrebu u industrijskim, naučnim i medicinskim (Industrial, Scientific, Medical) grupama. Poznato kao bežično ISM, ove frekvencije nisu dodeljene određenim prenosnicima, široko su dostupne za proizvode, i koriste se za LAN i PAN mreže. Slika 16.3 ilustruje opsege ISM frekvencija.

Slika 16.3 Blokovi frekvencija koje sačinjavaju ISM opsege i opseg svake

16.5 Bežične LAN tehnologije i Wi-Fi

Postoje razne bežične LAN tehnologije koje koriste razne frekvencije, koje se kategorizuju kao IEEE 802.11. 1999.godine, grupa proizvođača koji proizvode bežičnu opremu su formirali Wi-Fi alijansu, neprofitnu organizaciju koja testira i certifikuje bežičnu opremu koristeći 802.11 standarde. Zbog toga što je ova alijansa dobila jak marketing, većina potrošača povezuje bežične LAN mreže sa izrazom Wi-Fi (iako se izraz wireless fidelity (bežična vernost) originalno pojavio u njihovim reklamama, alijansa je odbacila ovu frazu i ne daje objašnjenje za ovaj naziv). Slika 16.4 prikazuje ključne IEEE standarde koji pripadaju Wi-Fi alijansi.

IEEE standard

Frekvencijski opseg

Brzina prenosaTehnika

modulacijeTehnika

multipleksinga

originalni 802.11

2,4 GHz 1 ili 2 Mbps FSK DSSS2,4 GHz 1 ili 2 Mbps FSK FHSS

Infra crveno 1 ili 2 Mbps PPM nijedna802.11a 5,725 GHz 6 do 54 Mbps PSK ili QAM OFDM802.11b 2,4 GHz 5,5 i 11 Mbps PSK DSSS802.11g 2,4 GHz 22 i 54 Mbps razne OFDM

Slika 16.4 Ključni bežični standardi koje je certifikovala Wi-Fi alijansa

16.6 Tehnike proširenog spektra

Poglavlje 11 uvodi izraz prošireni spektar (spread spectrum), i objašnjava da prenos sa proširenim spektrom koristi više frekvencija za slanje podataka. Odnosno, pošiljalac raznosi podatke na više frekvencija, a primalac kombinuje informacije dobijene od više frekvencija da reprodukuje originalne podatke.

Generalno, prošireni spektar se može koristiti za postizanje jednog od sledeća dva cilja:

- Povećati sveukupne performanse- Učiniti prenos otpornijim na šum

Tabela na slici 16.5 sumira tri ključne tehnike multipleksinga koje se koriste kod Wi-Fi bežičnih mreža.

Ime Pun naziv Opis

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Slično CDMA gde pošiljalac množi odlazeće podatke sa sekvencom da formira više frekvencija, a primalac množi istom sekvencom da bi dekodirao

FHSS

Frequency Hopping Spread Spectrum

Pošiljalac koristi sekvencu frekvencija za slanje podataka, a primalac koristi istu sekvencu frekvencija za ekstrahovanje podataka

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Šema multipleksinga deljenjem frekvencija gde se prenosni opseg deli na mnogo prenosnika na način da se prenosnici ne ometaju

Slika 16.5 Glavne tehnike multipleksinga koje se koriste sa Wi-Fi

Svaka tehnika ima prednosti. OFDM nudi najveću fleksibilnost. DSSS ima dobre performanse, a FHSS čini prenos otpornijim na šum. Tako, kada se definiše neka bežična tehnologija, dizajneri biraju odgovarajuću tehniku multipleksinga. Na primer, dve verzije originalnog 802.11 standarda su kreirane za DSSS i FHSS. Zaključak je:

Tehnike proširenog spektra mogu pomoći bežičnim LAN mrežama da funkcionišu u okruženjima sa šumom.

16.7 Drugi bežični LAN standardi

IEEE je kreirao mnoge bežične mrežne standarde koji rade sa raznim vrstama komunikacije. Svaki standard specifikuje frekvencijski opseg, modulaciju i multipleksing koji će se koristiti, i brzinu prenosa podataka. Slika 16.6 prikazuje glavne standarde koji su kreirani ili predloženi, i daje kratak opis svakog.

Standard Namena

802.11ePoboljšan kvalitet usluge, kao što je garantovanje niskog odstupanja

802.11h Kao i 802.11a, ali dodaje kontrolu spektra i snage (primarno namenjen za upotrebu u Evropi)

802.11i Povećana bezbednost, uključujući Advanced Encryption Standard; puna verzija je poznata kao WPA2

802.11k Obezbeđuje upravljanje radio resursima, uključujući snagu prenosa

802.11n Brzina prenosa preko 100 Mbps za upravljanje multimedijalnim (video) aplikacijama (može da bude 500 Mbps)

802.11p Lokalna bliska komunikacija (Dedicated Short-Range Communication – DSRC) među vozilima na autoputu i između vozila i objekata pored puta

802.11r Poboljšana sposobnost prelazaka sa jedne na drugu pristupnu tačku bez gubljenja konektivnosti

802.11s Predloženo za mesh mreže u kojima set čvorova automatski formira mrežu i prosleđuje pakete

Slika 16.6 Glavni 802.11 standardi i namena svakog

2007.godine, IEEE je „upakovao“ mnoge postojeće 802.11 standarde u jedan dokument poznat kao 802.11-2007. Ovaj dokument opisuje osnove, i ima dodatak za svaku varijantu.

Zaključak je:

Mnoge varijante 802.11 standarda su kreirane ili predložene; svaka nudi neku prednost.

16.8 Bežična LAN arhitektura

Tri glavna bloka bežičnih LAN mreža su: pristupne tačke, koje se neformalno nazivaju bazne stanice, međukonekcijski mehanizam, kao što je switch ili ruter koji se koristi za konektovanje pristupnih tačaka, i set bežičnih hostova, koji se još nazivaju i bežični čvorovi ili bežične stanice. U principu, moguće su dve vrste bežičnih LAN mreža:

- Ad hoc – bežični hostovi komuniciraju među sobom bez bazne stanice- Infrastruktura – bežični host komunicira samo sa pristupnom tačkom, a pristupna tačka

prosleđuje sve pakete

U praksi mali broj ad hoc mreža postoji. Umesto toga, organizacija ili provajder usluga koriste set pristupnih tačaka, a svaki bežični host komunicira kroz jednu od tih pristupnih tačaka. Na primer, neka privatna kompanija ili univerzitet mogu upotrebiti pristupne tačke kroz svoje zgrade. Slika 16.7 ilustruje ovu arhitekturu.

Slika 16.7 Ilustracija arhitekture infrastrukture bežične LAN mreže

Žičane konekcije koje se protežu do pristupnih tačaka se obično sastoje od Eterneta sa upletenim parom žica. Set kompjutera unutar opsega neke pristupne tačke je poznat kao Osnovni servisni set (Basic Service Set – BSS (analogno mobilnom telefonskom sistemu, oblast koju obuhvata neka pristupna tačka se neformalno naziva ćelija)). Na ovoj slici, postoje tri BSS, jedan za svaku pristupnu tačku.

Zaključak je:

Većina bežičnih LAN mreža koristi arhitekturu infrastrukture u kojoj bežični kompjuter komunicira kroz pristupnu tačku (baznu stanicu).

16.9 Preklapanje, povezivanje i 802.11 format frejma

U praksi, mnogi detalji komplikuju arhitekturu infrastrukture. S jedne strane, ako je neki par pristupnih tačaka previše odvojen, postojaće mrtva zona između njih (tj., fizička lokacija bez bežične konektivnosti). S druge strane, ako je par pristupnih tačaka previše blizu jedan drugom, pojaviće se preklapanje gde bežični host može prihvatiti obe pristupne tačke. Pored toga, većina bežičnih LAN mreža se konektuje na Internet. Tako, mehanizam međukonekcije obično ima dodatnu žičanu konekciju do Internet rutera. Slika 16.8 ilustruje ovu arhitekturu.

Slika 16.8 Ilustracija infrastrukture sa preklapajućim regionima

Da bi se rešilo preklapanje, 802.11 mreže zahtevaju od bežičnog hosta da se poveže sa jednom pristupnom tačkom. Odnosno, bežični host šalje frejmove određenoj pristupnoj tački, koja prosleđuje te frejmove kroz mrežu. Slika 16.9 ilustruje 802.11 format frejma, i pokazuje da kada se koristi u arhitekturi infrastrukture, frejm nosi MAC adresu pristupne tačke kao i adresu Internet rutera.

Slika 16.9 Format frejma koji se koristi kod 802.11 bežičnih LAN mreža

16.10 Koordinacija među pristupnim tačkama

Ovde se postavlja jedno zanimljivo pitanje: do kog stepena pristupne tačke treba da koordiniraju? Mnogi raniji dizajni pristupnih tačaka su bili složeni. Pristupne tačke su koordinirale tako da obezbede neprekidnu mobilnost sličnu mobilnom telefonskom sistemu. Odnosno, pristupne tačke su komunicirale među sobom tako da se obezbedi neprimetan prelaz dok se bežični kompjuter pomera iz oblasti jedne pristupne tačke u oblast druge. Na primer, neki dizajni su merili jačinu signala, i nastojali su da pomere bežični čvor na novu pristupnu tačku kada signal koji se primi na novoj pristupnoj tački postane jači od signala na postojećoj pristupnoj tački.

Kao alternativa, neki proizvođači su počeli da nude jeftinije, manje složene pristupne tačke koje ne koordiniraju. Oni tvrde da jačina signala ne nudi velidnu meru mobilnosti, da mobilni kompjuter može rešiti promenu sa jedne pristupne tačke na drugu, i da žičana infrastruktura koja povezuje pristupne tačke ima dovoljno kapaciteta da omogući

centralizovaniju koordinaciju. Ovaj manje složeni dizajn pristupnih tačaka je posebno pogodan u situacijama gde se instalacije sastoje od jedne pristupne tačke.

Zaključak je:

Postoje dva osnovna pristupa: složene pristupne tačke koordiniraju tako da obezbede neprimetan prelaz ili jeftinije pristupne tačke koje funkcionišu nezavisno i oslanjaju se na bežične kompjutere za promenu njihove povezanosti sa jedne pristupne tačke na drugu.

16.11 Konkurentni i nekonkurentni pristup

Originalni 802.11 standard je definisao dva generalna načina pristupa kanalu. Oni se mogu karakterisati kao:

- PCF (Point Coordinated Function) za nekonkurentne servise- DCF (Distributed Coordinated Function) za konkurentne servise

PCF znači da pristupna tačka kontroliše stanice u BSS da se obezbedi da prenosi ne ometaju. Na primer, pristupna tačka može dodeliti svakoj stanici posebnu frekvenciju. U praksi, PCF se nikad ne koristi.

DCF utvrđuje da svaka stanica u BSS pokreće protokol neposrednog pristupa. U poglavlju 14 se kaže da se bežične mreže mogu susresti sa problemom skrivene stanice, gde dve stanice mogu da komuniciraju, ali treća stnica može da prima signal samo od jedne od njih. Takođe se govori da da bi se rešio taj problem, 802.11 mreže koriste CSMA/CA što zahteva od para koji komunicira da razmenjuje poruke Spreman za slanje (Ready To Send – RTS) i Slobodan za slanje (Clear To Send – CTS) pre emitovanja paketa. 802.11 standard uključuje nekoliko detalja koji se ne pominju u poglavlju 14. Na primer, ovaj standard definiše tri vremenska parametra:

- SIFS – Short Inter-Frame Space od 10 µsec- DIFS – Distributed Inter-Frame Space od 50 µsec- Vreme slota od 20 µsec

SIFS parametar definiše koliko dugo stanica koja prima čeka pre slanja ACK ili nekog drugog odgovora; DIFS parametar, koji je je jednak SIFS plus dva slot vremena, definiše koliko dugo kanal morabiti slobodan pre nego što stanica može pokušato da emituje. Slika 16.10 ilustruje kako se ovi parametri koriste u prenosu paketa.

Slika 16.10 Ilustracija CSMA/CA sa SIFS i DIFS tajmingom

Zaključak je:

CSMA/CA tehnika se koristi kod Wi-Fi mreža uključujući parametre tajminga koji specifikuju koliko dugo stanica čeka početni paket i koliko dugo stanica čeka pre slanja odgovora.

Fizičko odvajanje među stanicama i električni šum otežavaju razlikovanje između slabih signala, ometanja i kolizije. Stoga Wi-Fi mreže ne koriste detekciju kolizije. Odnosno, hardver ne nastoji da uoči ometanje tokom prenosa. Umesto toga, pošiljalac čeka poruku potvrde (acknowledgement - ACK). Ako ACK ne stigne, pošiljalac pretpostavlja da je prenos izgubljen, i koristi strategiju obnavljanja sličnu strategiji koja se koristi kod žičanog Eterneta. U praksi, 802.11 mrežama koje imaju mali broj korisnika i nemaju električno ometanje retko treba ponovno slanje. Međutim, druge 802.11 mreže imaju česte gubitke paketa i zavise od ponovnog slanja.

16.12 Bežična MAN tehnologija i WiMax

Generalno, MAN tehnologije nisu bile komercijalno uspešne. Jedna bežična MAN tehnologija se izdvaja kao potencijalna uspešna tehnologija. Standardizovana je od strane IEEE pod kategorijom 802.16. Jedna grupa kompanija je izvela izraz WiMax, što je akronim za World-wide Interoperability for Microwave Access (globalna interoperabilnost za mikrotalasni pristup), i formirali su WiMax forum za promovisanje ove tehnologije.

Razvijene su dve verzije WiMax-a koje s erazlikuju u sveukupnom pristupu. Obično se označavaju sa:

- Fiksni WiMax- Mobilni WiMax

Fiksni WiMax se odnosi na sisteme koji su izgrađeni upotrebom IEEE standarda 802.16-2004, koji je neformalno nazvan 802.16d. Izraz fiksni se javlja zbog toga što ova tehnologija ne obezbeđuje prelaz između pristupnih tačaka. Tako, dizajniran je da obezbedi konekcije između provajdera usluga i fiksne lokacije, kao što je stan ili kancelarija, a ne između provajdera i mobilnog telefona.

Mobilni WiMax se odnosi na sisteme koji su izgrađeni prema standardu 802.16e-2005, koji se neformalno naziva 802.16e. Kao što naziv mobilni kaže, ova tehnologija obezbeđuje prelaz među pristupnim tačkama, što znači da mobilni WiMax sistem može da se koristi sa prenosnim uređajima kao što su laptop kompjuteri ili mobilni telefoni.

WiMax nudi širokopojasnu komunikaciju koja se može koristiti na razne načine. Neki provajderi planiraju da koriste WiMax kao tehnologiju za pristup Internetu do krajnjeg korisnika (zadnja milja - last mile). Drugi vide potencijal WiMax-a u obezbeđivanju interkonekcije opšte namene među fizičkim lokacijama, posebno u gradu. Druga vrsta interkonekcije je poznata kao povlačenje unazad (backhaul) – konekcija između centrale provajdera i udaljenih lokacija, kao što su tornjevi predajnika. Slika 16.11 prikazuje nekoliko predloženih upotreba.

Pristup-Zadnja milja kao alternativa DSL ili kablovskim modemima-Brza interkonekcija za nomadske korisnike-Unifikovani pristup podacima i telekomunikacijama-Kao rezervna Internet konekcija neke lokacije

Interkonekcija-Backhaul od Wi-Fi pristupnih tačaka do provajdera-Privatne konekcije među lokacijama kompanije-Konekcije između malih i velikih ISP-ova

Slika 16.11 Potencijalne upotrebe WiMax tehnologije

Generalno, upotreba WiMax-a za backhaul će imati najveće brzine prenosa podataka, i koristiće frekvencije koje zahtevaju jasno vidno polje (Line-Of-Sight – LOS) između dva komunikaciona entiteta. LOS stanice se obično postavljaju na tornjeve ili krovove zgrada. Iako se za Internet pristup mogu koristiti fiksni i mobilni WiMax, ovakve upotrebe obično koriste frekvencije koje ne zahtevaju LOS. Tako se one klasifikuju kao van vidnog polja (Non-Line-Of-Sight – NLOS). Slika 16.12 ilustruje ove dve upotrebe.

Slika 16.12 Ilustracija WiMax-a upotrebljenog za pristup i backhaul

Ključne karakteristike WiMax-a se mogu prikazati na sledeći način:

- Koristi licencirani spektar (tj., koje nude prenosnici)- Svaka ćelija može da pokriva radijus od 3 do 10 km- Koristi skalabilan ortogonalni FDM- Garantuje kvalitet usluga (za glas ili video)- Može da prenosi 70 Mbps u svakom smeru na kratkim distancama- Obezbeđuje 10 Mbps na duge distance (10 km)

Zaključak je:

WiMax je bežična LAN tehnologija koja se može koristiti za backhaul, fiksni, ili mobilni pristup; za pristup nije neophodno jasno vidno polje.

16.13 PAN tehnologije i standardi

IEEE je dodelio broj 802.15 za PAN standarde. Nekoliko radnih grupa i industrijski konzorcijumi su formirani za svaku od ključnih PAN tehnologija. Slika 16.13 prikazuje glavne PAN standarde.

Standard Namena 802.15.1a Bluetooth tehnologija (1 Mbps; 2,4 GHz)802.15.2 Koegzistencija među PAN mrežama (neometanje)802.15.3 PAN velike brzine (55 Mbps; 2,4 GHz)802.15.3a Ultra široki opseg (Ultra Wideband – UWB) brzi PAN (110 Mbps; 2,4 GHz)802.15.4 Zigbee tehnologija - spori PAN za daljinsko upravljanje802.15.4a Alternativni spori PAN koji koristi manje energije

Slika 16.13 IEEE PAN standardi

Bluetooth. IEEE 802.15.1a standard se razvio nakon što su proizbođači kreirali Bluetooth tehnologiju kao tehnologiju za bežičnu konekciju na kratkim distancama. Karakteristike Bluetooth tehnologije su:

- Bežična zamena za kablove (npr., slušalice ili miš)- Koristi 2,4 GHz frekvencijski opseg- Kratke distance (do 5 metara, sa varijacijama koje proširuju ovaj domet na 10 ili 50

metara)- Uređaj je master ili slave- Master daje dozvolu slave- Brzina podataka je do 721 Kbps

Ultra Wideband (UWB). Ideja na kojoj je UWB komunikacija zasnovana je da širenjem podataka na više frekvencija zahteva manje energije za istu distancu. Ključne karakteristike UWB su:

- Koristi širok spektar frekvencija- Troši vrlo malo energije- Kratke distance (2 do 10 metara)- Signal prolazi kroz prepreke kao što su zidovi- Brzina prenosa podataka od 110 na 10 metara, i sve do 500 Mbps na 2 metra- IEEE nije bio u mogućnosti da razreši debate i formira jedan standard

Zigbee. Zigbee standard (802.15.4) se pojavio iz želje da se standardizuje tehnologija bežične daljinske kontrole, posebno za industrijsku upotrebu. Zbog toga što jedinice daljinske kontrole šalju samo kratke komande, nisu potrebne velike brzine. Glavne karakteristike Zigbee-a su:

- Bežični standard za daljinsku kontrolu, ne podatke- Cilj je industrija kao i kućna automatizacija- Tri frekvencijska opsega se koriste (868 MHz, 915 MHz, i 2,4 GHz)- Brzine prenosa od 20, 40, ili 250 Kbps, u zavisnosti od frekvencijskog opsega- Manja potrošnja energije- Tri nivoa bezbednosti su definisana

16.14 Druge komunikacione tehnologije za kratke distance

Iako se obično ne grupišu u bežične PAN mreže, dve druge bežične tehnologije obezbeđuju komunikaciju na kratke distance. InfraRED tehnologije obezbeđuju kontrolnu ili sporiju komunikaciju podataka, a RFID tehnologije se koriste sa senzorima.

InfraRED. InfraRED (infra crveno) tehnologija se često koristi u daljinskim kontrolama, i može se koristiti kao zamena za kablove (npr., za bežični miš). Infrared Data Association (IrDA) je kreirao set standarda koji su široko prihvaćeni. Glavne karakteristike IrDA tehnologije su:

- Familija standarda za razne brzine i namene- Praktični sistemi imaju opseg od jedan do nekoliko metara- Usmereni prenos sa konskim pokrivanjem 30o

- Brzine prenosa podataka između 2,4 Kbps (kontrola) i 16 Mbps (podaci)- Generalno mala potrošnja energije sa verzijama koje troše vrlo malo energije- Signal se može reflektovati sa površina, ali ne može da prolazi kroz čvrste objekte

Radio Frequency Identification (RFID). RFID tehnologija koristi zanimljivu formu bežične komunikacije za kreiranje mehanizma gde mali tag sadrži identifikacionu informaciju koju primalac može „izvući“ iz taga.

- Preko 140 RFID standarda postoji za razne primene- Pasivni RFID-ovi uzimaju energiju od signala koga šalje čitač- Aktivni RFID-ovi sadrže bateriju, koja može da traje do 10 godina- Ograničena distanca, iako aktivni RFID-ovi dosežu dalje od pasivnih- Može da koristi frekvencije od manje od 100 MHz do 868-954 MHz- Koristi se za kontrolu inventara, senzore, pasoše, i druge primene

16.15 Bežične WAN tehnologije

Bežične WAN tehnologije se mogu podeliti na dve kategorije:

- Ćelijski komunikacioni sistemi- Satelitski komunikacioni sistemi

16.15.1 Ćelijski komunikacioni sistemi

Ćelijski sistemi su originalno bili dizajnirani da obezbede glasovne usluge za mobilne korisnike. Zato je sistem bio dizajniran za međusobno povezivanje ćelija na javnu telefonsku mrežu. Sve više se ovi sistemi koriste za prenos podataka i konekciju na Internet.

U pogledu arhitekture, svaka ćelija sadrži toranj, i grupu (obično međusobno dodirujućih) ćelija konektovanih sa komutatorskim centrima (Mobile Switching Center). Centrala prati mobilnog korisnika, i upravlja prelazom dok korisnik prolazi sa jedne ćelije u drugu. Slika 16.14 ilustruje kako se ćelije mogu rasporediti duž autoputa.

Slika 16.14 Ilustracija ćelijske arhitekture

Kada korisnik prelazi između dve ćelije koje su konektovane sa istim centrom, komutatorski centar upravlja tom promenom. Kada korisnik prelazi sa jednog geografskog regiona u drugi, komutatorski centri upravljaju tim prelazom.

U teoriji, savršeno ćelijsko pokrivanje se pojavljuje ako svaka ćelija pokriva heksagon jer se ćelije mogu rasporediti kao pčelinje saće. U praksi, ćelijsko pokrivanje nije savršeno. Većina ćelijskih tornjeva koristi kružne antene koje emituju signal u krug. Međutim, prepreke i električno ometanje mogu oslabiti signal ili dovesti do nepravilnog rada. Kao rezultat, u nekim slučajevima, ćelije se preklapaju, a u drugim, postoje prazni prostori bez pokrivanja. Slika 16.15 ilustruje idealno i realno pokrivanje.

Slika 16.15 Ilustracija (a) idealnog ćelijskog pokrivanja, i (b) realne verzije sa preklapanjima i slobodnim prostorima

Još jedan praktični aspekt ćelijske tehnologije je posledica varijabilnosti gustine ćelija. U ruralnim područjima gde je očekivana gustina mobilnih telefona mala, veličina ćelije je velika – jedan toranj je dovoljan za veliko geografsko područje. U urbanim područjima, međutim, mnogo mobilnih telefona je koncentrisano na jednom području. Na primer, uzmimo jedan gradski blok u velikom gradu. Pored ljudi na ulicama, ovakva područja sadrže poslovne i stambene celine sa mnogo ljudi. Da bi se upravljalo velikim brojem mobilnih telefona, dizajneri dele region na više ćelija. Tako, za razliku od idealizovane strkture na slici 16.15a koja ima samo jednu veličinu ćelije, praktična upotreba podrazumeva različite veličine ćelija, gde se manje ćelije koriste za gradska područja. Zaključak je:

Iako je lako vizuelizovati ćelije kao uniformno saće, praktični sistemi imaju različite veličine ćelija prema gustini mobilnih telefona, a prepreke uzrokuju da pokrivanje bude nepravilno, što rezultira preklapanjem i slobodnim prostorima.

16.16 Ćelijski klasteri i ponovno korištenje frekvencija

Ćelijska komunikacija prati jedan ključni princip:

Ometanje se može minimizirati ako susedne ćelije ne koriste istu frekvenciju.

Da bi se implementirao ovaj princip, dizajneri upotrebljavaju pristup klastera gde se mali uzorak ćelija replicira. Slika 16.16 ilustruje klastere veličine 3, 4, 7, i 12 koji se često koriste.

Slika 16.16 Ilustracija tipičnih ćelijskih klastera

U geometrijskom smislu, svaki od ovih oblika na slici se može koristiti za kreiranje matrice. Odnosno, repliciranjem istog oblika, moguće je pokriti čitavo područje bez ostavljanja slobodnog prostora. Pored toga, ako se svakoj ćeliji u nekom obliku dodeli jedinstvena frekvencija, ponavljanje neće dodeliti istu frekvenciju bilo kom susednom paru ćelija. Na primer, slika 16.17 ilustruje replikaciju 7-ćelijskog klastera sa slovom u svakoj ćeliji koje označava dodeljenu frekvenciju toj ćeliji.

Slika 16.17 Ilustracija dodeljivanja frekvencija kada se 7-ćelijski klaster replicira

Na ovoj slici svako slovo odgovara određenoj frekvenciji, a svakoj ćeliji u klasteru je dodeljena jedna frekvencija. Kao što slika pokazuje, kada se jedan klaster replicira, susedne ćelije neće deliti istu frekvenciju.

16.17 Generacije ćelijskih tehnologija

Telekomunikaciona industrija deli ćelijske tehnologije na četiri generacije koje su označene sa 1G, 2G, 3G, i 4G, sa među verzijama sa oznakama 2,5G i 3,5G. Ove generacije se mogu okarakterisati na sledeći način:

- 1G. Prva generacija je startovala početkom 1970-tih, i trajala je sve do 1980-tih. Ovi sistemi, koji su originalno nazvani ćelijski mobilni radio telefoni (cellular mobile radio telephones), su koristili analogne signale za prenos glasa.

- 2G i 2,5G. Druga generacija je startovala početkom 1990-tih i dalje se koristi. Glavna razlika između 1G i 2G je što 2G koristi digitalne signale za prenos glasa. Oznaka 2,5G se koristi za sisteme koji proširuju 2G sisteme tako da uključuju neke od 3G karakteristika.

- 3G i 3,5 G. Treća generacija je startovala 2000-tih, i fokusira se na dodavanje bržih usluga za podatke. 3G sistem nudi brzine primanja podataka od 400 Kbps do 2 Mbps, i namenjena je za podršku aplikacijama kao što je pretraživanje weba i deljenje fotografija. 3G omogućava jednom telefonu da se koristi u Severnoj Americi, Japanu i Evropi.

- 4G. Četvrta generacija je startovala 2008, i fokusira se na podršku multimediji u realnom vremenu, kao što je televizijski program ili brzo preuzimanje videa. Pored toga, 4G telefoni uključuju tehnologije višestruke konekcije, kao što su Wi-Fi i satelit; u bilo koje vreme, telefon automatski bira najbolju dostupnu tehnologiju konekcije.

Razvijene su razne ćelijske tehnologije i standardi. Kada se 2G pojavio, mnoge grupe su nastojale da izaberu pristup i kreiraju standard. European Conference Of Postal and Telecommunications Administrators su izabrali TDMA tehnologiju poznatu kao Global System for Mobile Communications (GSM), i kreirali su sistem koji je bio namenjen kao svetski standard. U SAD, svaki prenosnik je kreirao mrežu sa svojom tehnologijom. Motorola je izumela TDMA sistem poznat kao iDEN. Većina prenosnika u SAD i Aziji su usvojili CDMA pristup koji je standardizovan kao IS-95A. Japan je kreirao TDMA tehnologiju poznatu kao PDC. Slika 16.18 prikazuje glavne 2G standarde i neke 2,5G standarde koji su se razvili; razne druge tehnologije, koje nisu prikazane na ovoj slici, imaju beznačajnu ulogu.

Svaki standard prikazan na slici obezbeđuje osnovni komunikacioni mehanizam preko koga funkcionišu mnoge usluge. Na primer, General Packet Radio Service (GPRS) je dostupan pretplatnicima koji imaju GSM ili IS-136 pristup. Kada se korisnik pretplati na GPRS, on može izabrati da aktivira servise koji se pokreću na GPRS. Short Message Service (SMS) se koristi za slanje teksta, Wireless Application Service (WAP) se koristi za pristup Internetu, a Multimedia Messaging Service (MMS) se koristi za web pristup. Tipično, provajderi dodatno naplaćuju GPRS usluge, gde se naplata obično vrši prema jedinic prenesenih podataka (npr., po megabajtu).

Nakon GPRS-a, razvijene su digitalne tehnologije koje koriste sofisticiranije tehnike modulacije i multipleksinga za povećanje brzine prenosa podataka. Enhanced Data rate for GSM Evolution (EDGE), koje je takođe poznato kao Enhanced GPRS (EGPRS), nudi brzinu prenosa podataka do 473,6 Kbps. Naslednik poznat kao EDGE Evolution obezbeđuje maksimalnu brzinu prenosa od 1 Mbps.

Pristup Standard Generacija

GSM

GSM 2GGPRS 2,5GEDGE (EGPRS) 2,5GEDGE Evolution 2,5GHSCSD 2,5G

CDMAIS-95A 2GIS-95B 2,5G

TDMAiDEN 2GIS-136 2GPDC 2G

Slika 16.18 Glavne ćelijske tehnologije druge generacije

Dok provajderi nisu počeli da misle o tehnologijama treće generacije, postalo je očigledno da potrošači žele mobilne usluge koje su primenljive globalno. Kao rezultat, provajderi su se potrudili da tehnologije postanu interoperabilne, a industrija je konsolidovala mnoge pristupe iz 2G u nekoliko ključnih standarda. IS-136, PDC, IS-95A, i EDGE su uticali na dizajn UMTS, tehnologije koja koristi Wideband CDMA (WCDMA). Isto tako, IS-95B je proširen na CDMA 2000, kao što slika 16.19 pokazuje.

Pristup Standard Naslednik od

WCDMAUMTS IS-136, IS-95A, EDGE, PDC

UMTSHSDPA

CDMA 20001xRTT IS-95BEVDO 1xRTTEVDV 1xRTT

Slika 16.19 Ćelijske tehnologije treće generacije

Nekoliko suprotstavljenih standarda je razvijeno za treću generaciju. EVDO i EVDV su se pojavili približno u isto vreme. Oba ova standarda kombinuju CDMA i tehniku multipleksinga deljenjem frekvencija za povećanje ukupnih performansi. EVDO, koji se proširuje ili na Evolution Data Optimized ili na Evolution Data Only, je najviše korišten. EVDO dolazi u dve verzije koje se razlikuju u brzini kojom se podaci isporučuju: 2,4 Mbps ili 3,1 Mbps. Alternativa pod imenom High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) nudi brzinu preuzimanja od 14 Mbps (odgovarajući High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) protokol je takođe definisan, ali je privukao manje pažnje od HSDPA). Naravno, prenosnici naplaćuju više za servise koji nude veće brzine.

16.18 VSAT satelitska tehnologija

Poglavlje 7 opisuje tri vrste komunikacionih satelita (tj., LEO, MEO i GEO), a poglavlje 14 govori o mehanizmima pristupa kanalu, uključujući mehanizme rezervacije koji se koriste za obezbeđivanje TDMA preko satelita. Ovaj deo zaključuje ovu temu opisom specifičnih satelitskih tehnologija.

Ključ satelitske komunikacije je parabolička antena koja je neformalno poznata kao tanjir. Parabolički oblik znači da se elektromagnetna energija koja stiže sa udaljenog satelita reflektuje u jednu fokusnu tačku. Usmeravanjem tanjira ka satelitu i postavljanjem detektora u fokusnu tačku, dizajner garantuje da će se primati jak signal. Slika 16.20 ilustruje ovaj dizajn, i pokazuje kako se dolazeća energija reflektuje od površine tanjira kaprijemniku.

Slika 16.20 Ilustracija refleksije od paraboličke antene

Da bi se maksimizirao primljeni signal, rana satelitska komunikacijaje koristila zemljane stanice sa velikim antenama sa više od 3 metra u prečniku. Iako su one pogodne za situacije kao što je transatlantski link koga koriste telefonske kompanije, potrošači i male firme ne mogu postaviti ovakve zemljane stanice na svoje posede. Tako se glavna promena pojavljuje sa dolaskom tehnologije poznate kao Very Small Aperture Terminal (VSAT) koja koristi tanjire manje od 3 metra u prečniku. Tipična VSAT antena je manja od jednog metra u prečniku.

Mnoge firme koriste VSAT tehnologiju za povezivanje svih svojih predstavništava. Na primer, apoteke kao što su Walgreens i CVS koriste VSAT komunikaciju, kao i lanci brze hrane kao što su Pizza Hut i Taco bell, i maloprodaje kao što je Wal Mart. Pored toga, VSAT servisi su dostupni potrošačima i za zabavu i pristup Internetu.

VSAT sateliti koriste tri frekvencijska opsega koji se razlikuju u snazi isporučenog signala, osetljivosti na kišu i druge atmosferske prilike, i oblasti površine zemlje koji se pokrivaju (poznati kao satelitski otisak). Slika 16.21 opisuje karakteristike svakog frekvencijskog opsega.

Opseg Frekvencija Otisak Jačina signala Efekat kišeC opseg 3 – 7 GHz Veliki Nizak SrednjiKu 10 – 18 GHz Srednji Srednji UmerenKa 18 – 31 GHz Mali Visok Jak

Slika 16.21 Frekvencijski opsezi koje koristi VSAT tehnologija i karakteistike svakog

16.19 GPS sateliti

Sateliti za Globalni pozicioni sistem (Global Positioning System – GPS) obezbeđuju precizne vremenske i lokacijske informacije. Iako nije deo kompjuterske komunikacije, lokacijske informacije se sve više koriste u mobilnom umrežavanju. Ključne karakteristike su:

- Preciznost između 20 i 2 metra (vojne verzije imaju veću preciznost)- 24 se kreću u orbiti zemlje- Sateliti raspoređeni u šest orbitalnih ravni- Obezbeđuje vremensku sinhronizaciju koja se koristi u nekim komunikacionim mrežama

U nekom smislu, tehnika koja se koristi za postizanje informacija o poziciji je jednostavna: zbog toga što se svi GPS sateliti kreću u dobro poznatim orbitama, primalac može da odredi jedinstvenu lokaciju na površini zemlje pronalaženjem udaljenosti do tri satelita. Da bismo videli zašto, uzmimo set tačaka distance D1 od satelita 1. Ovaj set definiše sferu. Slično tome, set tačaka distance D2 od satelita 2 definiše drugo sferu. GPS sistem koji je istovremeno D1

od satelita 1 i D2 od satelita 2 leži u krugu koji se definiše presekom ove dve sfere. Ako se ovaj GPS sistem takođe nalazi na distanci D3 od satelita 3, on će biti na preseku treće sfere sa krugom, što rezultuje sa dve moguće tačke. Sateliti su raspoređeni tako da samo jedna od ove dve tačke leži na površini zemlje a druga je u prostoru, što olakšava odabir prave tačke.

Da bi se izračunala udaljenost, GPS sistem primenjuje formulu iz Njutnove fizike koja određuje da je udaljenost jednaka brzina puta vreme. Brzina je konstantna (brzina svetlosti, 3 x 109 metara u sekundi). Vreme se obračunava određivanjem da svaki GPS sistem određuje lokalno vreme, i da svaki satelit ima precizan sat koji se koristi za uvrštavanje oznake vremena u

informacije koje se šalju. Primalac može zatim oduzeti vremensku oznaku od lokalnog vremena da odredi vreme kada su informacije u prolazu.

16.20 Softverski programabilni radio i budućnost bežičnog prenosa

Svaka od mnoštva bežičnih tehnologija opisanih u ovom poglavlju koristi radio hardver posebne namene. Antena, odašiljač, i prijemnik u nekom uređaju su dizajnirani da rade sa preodređenim frekvencijama koristeći specifične forme modulacije i multipleksinga. Mobilni telefon koji može koristiti GSM, Wi-Fi, i CDMA mreže mora imati tri potpuno odvojena radio sistema, i mora da bira među njima.

Tradicionalni redio se zamenjuje radiom koji prati programabilnu paradigmu u kojoj se svojstva kontrolišu softverom koga pokreće procesor. Slika 16.22 prikazuje glavna radio svojstva koja se mogu kontrolisati kod softverskog programabilnog radia.

Svojstvo OpisFrekvencija Tačan opseg frekvencija koje se koriste u nekom vremenuSnaga Količina snage koju emiter emitujeModulacija Kodiranje i modulacija signala i kanalaMultipleksing Svaka kombinacija CDMA, TDMA, FDMA i drugihSmer signala Antene mogu biti podešene za određeni smerMAC protokol Svi aspekti frejminga i MAC adresiranja

Slika 16.22 Svojstva pod kontrolom softvera u programabilnom radiu

Ključne tehnologije koje omogućavaju softverski radio su: podesivi analogni filteri i višestruki menadžment antene. Analogni čipovi su trenutno dostupni i omogućavaju podesive analogne filtere. Tako je moguće izabrati frekvencije i kontrolisati snagu. Digitalni procesori signala (Digital Signal Processors - DSPs) su dostupni za upravljanje kodiranjem signala i modulacijom. Interesantniji aspekt softverskih radia se odnosi na upotrebu višestrukih antena. Umesto jednostavnog biranja antene za upotrebu u određenom vremenu, softverski radio može odabrati više antena istovremeno da obezbedi prostorni multipleksing (spatial multiplexing), tehniku koja omogućava signalu da se emituje ili prima od nekog smera. Izraz Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) se koristi za označavanje sistema koji koristi više antena i za emitovanje i za prijem (tj., može da nacilja emitovanje ili prijem).

Softverski programabilni radio se pojavio u istraživačkoj laboratoriji, i već ga koristi vojska SAD. Pored toga, Universal Software Radio Peripheral (USRP) i GNU Radio su trenutno u eksperimentalnoj fazi. Nekoliko detalja treba razrešiti pre nego što se programabilni radio pojavi kao komercijalni proizvod. Prvo, cena je trenutno previsoka (oko 1000 US dolara). Drugo, moraju se uspostaviti regulative za upotrebu spektra. Tačnije, uređaji koji emituju elektromagnetnu energiju su certifikovani da bi se obezbedilo da ne ometaju druge komunikacije (npr., mobilni telefoni ne ometaju policiju ili hitne službe). Ako se softverski radio bude mogao reprogramirati, korisnik može nenamerno preuzeti virus koji bi mogao uzrokovati da radio zaustavi hitne kanale. Tako se istražuju tehnike koje će kontrolisati količinu snage koju softverski radio može generisati na određenim frekvencijama.

16.21 Ukratko

Postoje mnoge bežične komunikacione tehnologije i koriste se za kreiranje bežičnih LAN, PAN, MAN i WAN mreža. IEEE je standardizovao nekoliko LAN i MAN tehnologija. Wi-Fi koristi IEEE 802.11 standarde, sa varijantama koje se označavju sufiksom, kao što su 802.11b ili 802.11g. Bežične LAN mreže se mogu dodati ad hoc ili mogu koristiti arhitekturu infrastrukture sa pristupnim tačkama; format frejma uključuje MAC adresu za pristupnu tačku kao i MAC adresu za ruter van pristupne tačke.

Pored LAN mreža, bežične tehnologije se koriste za MAN i PAN mreže. Glavna MAN tehnologija je poznata kao WiMax, koja se može koristiti za backhaul ili pristup. Razne PAN tehnologije postoje, uključujući Bluetooth, Ultra Wideband, Zigbee, i IrDA. RFID tagovi obezbeđuju još jednu formu bežične komunikacije koja se prvenstveno koristi za inventar i otpremu.

Bežične WAN mreže koriste ćelijske i satelitske tehnologije. Ćelijske tehnologije se klasifikuju kao 1G (analogna), 2G (digitalni glas), 3G (digitalni glas plus podaci), i 4G (digitalni glas i podaci velike brzine); postoje mnoge tehnologije. VSAT satelitska tehnologija omogućava da firme i pojedinci imaju satelitske antene na svojim placevima.

Dolazeći bežični sistemi koriste softverski programabilni radio koji omogućava softveru da kontroliše sve aspekte radio prenosa. Programabilni radio je skup, i trenutno se koristi u vojsci i za specijalne namene.