Анализ беспроводных и проводных технологий для передачи информации

Глава 1. Выбор технологии
     В данной главе произведем сравнительный анализ беспроводных и проводных технологий для передачи информации.
     Беспроводные технологии – такие информационные технологии, которые служат для передачи информации между объектами (двумя и более), при этом, не требуя их связи проводами. Здесь для передачи данных могут быть использованы радиоволны, инфракрасное, оптическое или лазерное излучение.
     Проводные технологии – такие технологии, которые используются для передачи информации между объектами, при этом, требуя их связи между собой проводами.  
     В настоящее время широко используются такие беспроводные  технологии как: Wi-Fi, WiMAX, 3G, LTE. Из проводных технологий в данный момент широко используются FTTx – буквально «волокно до…» («Fiber-To-The-x»). У данной технологии есть несколько подвидов, таких как: FTTB, FTTH, FTTHPONи др.
      Каждая из этих технологий обладает собственными характеристиками, которые определяют ее область распространения.
     Рассмотрим некоторые из этих технологий, в частности их характеристики и области применений.
1. FTTB - «Fiber-To-The-Building» 
     Буквально «волокно до здания» - наиболее популярная технология реализации широкополосного доступа в жилых массивах городов, в которых наблюдается большое количество зданий высокой этажности. Данная технология обеспечивает доступ абонента в сеть со скоростью до 100 Мбит/с, причем прием и передача данных происходят с одинаковой скоростью. Эта технология поддерживает спецификацию Ethernet 10/100Base-T. 
     Оптическое волокно заводится в дом на чердак или в подвальное помещение. Подключение абонентов реализуется через витую пару UTP/FTP Cat. 5e от узла доступа до квартир. 
     Данная технология не требует от абонентов приобретения дополнительного оборудования, например, модемов. За счет того, что в FTTB используется технология кольцевого резервирования, оператор может гарантировать высокую надежность сети.Срок эксплуатации оптоволокна не менее 25 лет.
Приведем пример структурной схемы сети широкополосного доступа на основе технологии FTTB (рис.1).

Рисунок 1. Структурная схема сети ШПД на основе FTTB
2. FTTH - «Fiber-To-The-Home»
     Буквально «волокно до «жилища» - квартиры или частного дома (коттеджа) – предполагает инсталляцию до абонента.
     Так же FTTH делится на две группы в зависимости от структурной схемы ШПД: FTTH AON – FTTH на основе «активной» оптической сети (ActiveOpticalNetwork) и FTTH PON – FTTH на базе пассивной оптической сети (PassiveOpticalNetwork).
     Рассмотрим FTTH PON как наиболее распространенную технологию FTTH.Данная технология отличается тем, что на всем протяжении сети от узла агрегации до абонента не предусматривается использование какого-либо активного оборудования. Существует две конфигурации архитектуры PON – P2P («point-topoint») – «точка-точка» и P2MP («point-to-multipoint») – «точка–многоточка».
     Архитектура PON P2MP является древовидной структурой, в узлах которой расположены многопортовые сплиттеры, которые позволяют подключать сразу несколько десятков абонентов кластера сети к одному оптическому модулю активного оборудования узла агрегации.
     Для передачи прямого и обратного каналов используется одно оптоволокно, полоса пропускания которого динамически делится между абонентами. Нисходящий поток от узла агрегации идет к абонентам на длине волны 1490 нм, а восходящий поток на длине волны 1310 нм, в сети используется протокол множественного доступа с временным разделением – TDMA. Скорость передачи информации для всех абонентов для нисходящего потока  суммарно равна 2,488 Гбит/с для GPONи 1,244 Гбит/с для EPON, а скорость передачи данных в сумме для восходящего потока составляет 155 Мбит/с, для технологий GPONи EPON 1,244 Гбит/с.
     Один волоконно-оптический сегмент может охватывать до 32 абонентских узлов в радиусе 20 км для технологий  EPON/BPON и до 37 км для технологии GPON. Один абонентский узел рассчитан на жилой дом или офисное здание, что фактически может охватывать до сотни абонентов. 
Приведем пример структурной схемы сети широкополосного доступа на основе технологии FTTHPONP2MP (рис.2).

Рисунок 2. Структурная схема сети ШПД на основе PON P2MP «звезда»
3. WiMAX – «WorldwideInteroperability forMicrowave Access»
     Буквально – «международное взаимодействие для микроволнового доступа». Это технология, которая предназначена для предоставления беспроводной связи для рабочих станций, стационарных компьютеров и мобильных устройств. 
     Область применения WiMAX достаточно широка. В частности его используют для обеспечения широкополосного доступа как альтернативу линиям ADSL/DSL; для предоставления точек доступа «Wi-Fi» и соединения их друг с другом и другими сегментами сети Интернет; для создания систем удаленного мониторинга; для создания удаленных точек доступа, которые не имеют привязки к географическому положению.
     Технология WiMAX основана на двух отдельных стандартах, каждый из которых имеет собственные рабочие диапазоны частот, мощность излучения, ширину полосы пропускания и т.д. Исходя из этого, можно сказать, что данные стандарты практически несовместимы.
* 802.16d – более известен как фиксированный WiMAX. 
     Стандарт используется с 2004 г. В стандарте используется частотное мультиплексирование (OFDM). Так же имеется поддержка фиксированного доступа в таких зонах, где имеется либо отсутствует прямая видимость. Абонентское оборудование представляет собой модемы, которые устанавливаются вне или внутри помещений. Диапазон частот используется от 3,5 до 5 ГГц. Пропускная способность данной технологии до 75 Мбит/с. Радиус действия от 25 до 80 км позволяет использовать технологию на больших расстояниях.
* 802.16e– более известен как мобильныйWiMAX. 
     Стандарт запущен с 2005 г. Стандарт является развитым стандартом 802.16d, но с оптимизацией под мобильных пользователей. Этот стандарт включает в себя ряд функций, которые предназначены именно для мобильных пользователей, таких как хэндовер и роуминг. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA). Реализуется как при наличии, так и при отсутствии прямой видимости.Пропускная способность данной технологии до 40 Мбит/с. Радиус действия от 1 до 5 км. 
     Основное различие двух этих стандартов в том, что фиксированный WiMAX предоставляет обслуживание только «статичным» абонентам, а мобильный WiMAX ориентирован на предоставление доступа абонентам, которые могут передвигаться со скоростью вплоть до 150 км/ч. 
     Мобильность в настоящее время является достаточно важной функцией, в которой должна присутствовать функция «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента, так же, как и в сетях сотовой связи. 
Рисунок 3. Организация сети по технологии WiMAX
4. Wi-Fi – Wireless Fidelity
     Дословно «беспроводное качество» или «беспроводная точность».  Данная сеть предназначена для предоставления доступа к сети нескольким абонентам от одного устройства. Точка доступа предоставляет свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных пакетов на скорость 0,1 Мбит/с каждый 100 мс, так что 0,1 Мбит/с – это наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi.
	Немалое преимущество данной технологии в том, что она позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля. Прокладка данной сети будет выгодна в таких помещениях, где толщина стен слишком большая, или же, здание является памятником архитектуры, т.к. демонтаж в таких зданиях исключен.
     Для организации локальной сети используются роутер и модули Wi-Fi (PCI, PCMCIS, USB, SD, CF). Под Wi-Fi подразумевается набор стандартов, которые представляют доступ в сеть, они объединены базовым стандартом IEEE 802.11x.  сегодня наиболее актуальны стандарты IEEE 802.11b и IEEE 802.11g. для передачи данных в этих стандартах используется диапазон 2,4 ГГц.
     В стандарте IEEE 802.11b скорость передачи данных может достигать 11 Мбит/с, в IEEE 802.11a скорость чуть более высокая, чем в IEEE 802.11b, и частотные каналы используются уже в диапазоне 5 ГГц. Стандарт IEEE 802.11g так же использует диапазон 2,4 ГГц, пропускная способность данных возрастает до 54 Мбит/с.
     Помимо основных стандартов существуют еще и дополнительные, которые реализуют сервисные функции. Таких стандартов достаточно много, например, IEEE 802.11d -предназначен для адаптации различных устройств Wi-Fi к условиям страны, или IEEE 802.11e – описывает классы качества QoS для передачи медиа контента.
     Самое важное, как и в любой технологии беспроводного доступа, это радиус действия. Wi-Fi сигнал «раздается» на абонентские устройства при помощи роутера. Дальность действия стандартного роутера колеблется от 100 до 300 м, при условии, что на пути распространения радиоволн не будут расположены препятствия, т.е. в зоне прямой видимости. Если же на зону прямой видимости попадает препятствие, то радиус действия может снизиться до 50 м и более. В таких ситуациях, если необходимо использовать Wi-Fi соединений в одном здании, а сигнал от роутера не доходит до какого-либо отдаленного устройства, то можно использовать дополнительное оборудование – репитер. Он будет принимать сигнал с роутера, и  передавать на удаленное абонентское устройство. 

Рисунок 4. Схема организации технологии Wi-Fi
5. LTE – Long-Term Evolution
     Буквально «долговременное развитие».  ИзначальноLTE не удовлетворял техническим требованиям для 4-го поколения сотовой связи и требованиям Международного союза электросвязи, но позднее, вследствие улучшений технологии 3G, МСЭ принял решение, что технологияLTE может маркироваться как более известный в настоящее время4G. Данная технология была предназначена для создания беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных пользователей. Базируется на технологиях GSM/EDGEи UMTS/HSPA. В разных странах используются разные частоты и полосы для LTE, что позволяет пользовать сетью по всему миру только через многодиапазонные телефонные аппараты. 
     Для обеспечения двусторонней передачи данных между базовой станцией (БС) и мобильной станций (МС) в технологии LTE используется и частотный (FDD) и временной(TDD) дуплекс. Ширина радиоканала варьируется от 1,4 до 20 МГц. 
     Стандарт LTE поддерживает технологию OFDMA(OrthogonalFrequency-DivisionMultipleAccess)в нисходящем канале, которая позволяет бороться с негативными эффектами, которые могут возникать из-за многолучевого распространения. В восходящем потоке же используется технология SC-FDMA. 
     Так же LTE поддерживает технологию передачи MIMO(MultipleInputMultipleOutput). Это значит, что при передаче и приеме данных используют несколько антенн с обеих сторон. Разные антенны могут передавать одинаковые данные, тогда надежность передачи возрастает, но на скорость передачи это не влияет. Так же разные антенны могут передавать различные потоки данных, в этом случае скорость уже увеличивается. Максимально может использоваться до 4-х антенн на приеме и передаче. При реализации данной технологии и ширине канала 20 МГц, скорость передачи в нисходящем канале может достигать 300 Мбит/с, а в восходящем 170 Мбит/с.
     Радиус покрытия базовой станции LTE зависит от частотного диапазона и расположения БС. БС диапазона 800 МГц могут обеспечить скорость в 1 Мбит/сна расстоянии до 13.4 км; БС диапазона 1800 МГц могут обеспечить эту скорость на расстоянии до 6.8 км. 
     Самым основным достоинствомLTE является мобильность. Данная технология реализует передачу данных для подвижных объектов на скорости от 120 км/ч и до 500 км/ч (для E-UTRA - беспроводного интерфейса LTE).
     В настоящий момент в России развитие сети LTE набирает обороты. Все операторы сотовой связи готовы предоставить абонентам высокоскоростной доступ к сети Интернет. На данный момент операторы связи «Мегафон», «МТС», «Билайн» и «Теле-2» предоставляют возможность воспользоваться LTE в более чем 80 регионах страны.

Рисунок 5. Организация сети на основе технологии LTE
Проведя анализ каждой из вышеуказанных технологий, приведем сравнительную таблицу (Таблица 1).








Таблица 1. Сравнительная таблица стандартов проводной и беспроводной связи
Технология
Пропускная способность
Радиус действия
Частотный диапазон
Среда передачи
Поддержка мобильности
FTTB
До 100 Мбит/с
Ограничен количеством волокон ОВ 
-
Кабель (медный, оптический)
Нет 
PON (32 аб.)
2,488 Гбит/с  - GPON; 1,244 Гбит/с  - EPON
20 км - EPON/BPON;
37 км - GPON
-
Кабель (медный, оптический)
Нет 
WiMAXст. 802.16d
До 75 Мбит/с
25-80 км
3,5-5 ГГц
Передача через ЭМВ
Да
WiMAXст. 802.16e
До 40 Мбит/с
1-5 км
2,3-13,6 ГГц
Передача через ЭМВ
Да
Wi-Fiст.802.11a
До 54 Мбит/с
До 300 м
5,0 ГГц
Передача через ЭМВ
Да
Wi-Fi ст.802.11b
До 11 Мбит/с
До 300 м
2,4 ГГц
Передача через ЭМВ
Да
Wi-Fi ст.802.11g
До 54 Мбит/с
До 300 м
2,4 ГГц
Передача через ЭМВ
Да
LTE
До 300 Мбит/с
800 МГц – до 13,4 км;
1800 МГц – 6,8 км
0,4-3,5 ГГц
Передача через ЭМВ
Да
     Исходя из приведенных выше данных, можно сделать вывод, что для поставленной задачи предоставления доступа в сеть Интернет в городской местности для подвижных пользователей наиболее подходящим вариантом является технология LTE. Данная технология предоставляет доступ к сети на больших скоростях максимально до 300 Мбит/с, что в свою очередь позволяет загружать информацию за короткие промежутки времени.Поддержка мобильности, которая позволяет загружать данные при скорости перемещения абонента до 150 км/ч и выше, позволяет использовать эту технологию при передвижении абонента, при этом, скорость загрузки данных меняться будет незначительно. Так же заметим, что данная технология поддерживает необходимые для абонентов функции роуминга и хэндовера, которые позволяют перемещаться из зоны одного оператора в зону другого оператора, при этом разрыва соединения не произойдет.


     
     
     
     
     

     
      
     



     
     
2

.......................