Комп'ютерні мережі

Середовище передачі даних - фізична субстанція, по якій відбувається передача (перенесення) тієї чи іншої інформації (даних) від джерела (передавача, відправника) до приймача (одержувача). Інформація переноситься за допомогою сигналів. Сигнали можуть мати різну природу:

• електричну (потік електронів);
• електромагнітну (радіохвилі);
• оптичну (світло).

Середовище передачі даних є складовою частиною каналу зв'язку.

Виділяють провідні та безпровідні середовища передачі даних.

 

2.1. Провідні середовища передачі даних

2.1.1. Телефонний провід

Телефонний розподільний провід (ТРП) - двох- або чотирьохпровідний телефонний кабель, призначений для стаціонарної прихованої і відкритої абонентської проводки телефонної або трансляційної розподільної мережі всередині приміщень.

Вважається морально застарілим через ненадійність, низьку перешкодозахищеність, неможливість високошвидкісної передачі даних, незручностей при обжимці. Однак з огляду на свою низьку вартість знаходить застосування в телефонній розводці всередині приміщень, також є найдешевшим рішенням (завдяки своїй примітивній конструкції) у багатьох ситуаціях. На відміну від більш сучасних аналогів витої пари 1 і 2 категорій, струмопровідні жили ТРП не скручуються (жили розташовуються паралельно, кабель плоский), завдяки чому він отримав жаргонну назву “локшина” по схожості зовнішнього вигляду з макаронними виробами.

 

2.1.2. Коаксіальний кабель

Коаксіальний кабель - електричний кабель, що складається з центрального провідника і екрану, розташованих співвісно і розділених ізоляційним матеріалом або повітряним проміжком. Використовується для передачі радіочастотних електричних сигналів.

Весь корисний сигнал передається по внутрішньому провіднику.

Найбільшого застосування набув коаксіальний кабель з хвильовим опором 50 та 75 Ом.

«Тонкий» Ethernet

Був найбільш поширеним кабелем для побудови локальних мереж. Діаметр приблизно 6 мм і значна гнучкість дозволяли йому бути прокладеним практично в будь-яких місцях. Кабелі з'єднувалися один з одним і з мережевою платою в комп'ютері за допомогою T-коннектора BNC. Між собою кабелі могли з'єднуватися за допомогою I-коннектора BNC (пряме з'єднання). На обох кінцях сегмента повинні бути встановлені термінатори. Підтримує передачу даних до 10 Мбіт/с на відстань до 185 м.

«Товстий» Ethernet

Більш товстий, в порівнянні з попереднім, кабель - близько 12 мм в діаметрі, мав більш товстий центральний провідник. Погано гнувся і мав значну вартість. За рахунок більш товстого провідника передачу даних можна було здійснювати на відстань до 500 м із швидкістю 10 Мбіт/с. Однак складність і дорожнеча установки не дали цьому кабелю такого широкого поширення. Історично фірмовий кабель мав жовте забарвлення, і тому іноді можна зустріти назву «Жовтий Ethernet».

 

a)                                             b )                                             c)

Рисунок 2.1. – З’єднувачі для коаксіального кабелю:
a) T-конектор BNC; b ) I-конектор BNC ; c) термінатор

2.1.3. Вита пара

Вита пара - вид кабелю зв'язку. Являє собою одну або кілька пар ізольованих провідників, скручених між собою (з невеликим числом витків на одиницю довжини), покритих пластиковою оболонкою.

Звивання провідників проводиться з метою підвищення ступеня зв'язку між собою провідників однієї пари (електромагнітні перешкоди однаково впливають на обидва дроти пари) і подальшого зменшення електромагнітних перешкод від зовнішніх джерел, а також взаємних наведень при передачі диференціальних сигналів.

В даний час, завдяки своїй дешевизні і легкості монтажу, є найпоширенішим рішенням для побудови провідних (кабельних) локальних мереж.

Кабель підключається до мережевих пристроїв за допомогою роз'єму 8P8C (який помилково називають RJ45).

Для механічного захисту дроти використовують особливо міцні оболонки і оплітку з мідного дроту. Оболонка з чорного поліетилену захищає кабель від сонячного світла (спеціальний захист, що застосовується для кабелів, призначених для прокладки на відкритому повітрі). Кабелі, що мають додаткові шари захисту, називають терміном «double jacket».

Для хімічного захисту кабелю використовують фольгу і поліетилен. Кабелі, захищені фольгою, позначають терміном «foiled» - «фольговані».

Алюмінієва фольга і мідна оплітка також використовуються для екранування кабелю і окремих пар для додаткового захисту від електромагнітних перешкод.

За кількістю жил (число провідків) проводи поділяють на:

• одножильні - провідники, що складаються з одного мідного провідка (однієї жили);
• багатожильні - провідники, що складаються з декількох жил.

Одножильний кабель не передбачає прямих контактів з підключаємою периферією. Тобто, як правило, його застосовують для прокладки в коробах, стінах і т.д. з подальшим термінуванням розетками. Пов'язано це з тим, що мідні жили досить товсті і при частих вигинах швидко ламаються. Однак для «врізання» в роз'єми панелей розеток такі жили підходять якомога краще.

Багатожильний кабель погано переносить «врізання» в роз'єми панелей розеток (тонкі жили розрізаються), але чудово поводиться при вигинах і скручуванні. Крім того, багатожильний провід володіє великим загасанням сигналу. Тому багатожильний кабель використовують в основному для виготовлення патчкордів, що з'єднують периферію з розетками.

Для захисту від електричних перешкод при використанні високочастотних сигналів в кабелях категорій 6a-8 використовується екранування. Екранування застосовується як до окремих витих пар, які обертаються в алюмінієву фольгу (металізовану алюмінієм поліетиленову стрічку), так і до кабелю в цілому у вигляді загального екрану з фольги та/або облітки з мідного дроту. Екран також може бути з'єднаний з неізольованим дренажним проводом, який служить для заземлення та механічно підтримує екран в разі поділу на секції при зайвому вигині або розтягуванні кабелю.

Згідно з міжнародним стандартом ISO/IEC 11801 додаток E, для позначення конструкції екранованого кабелю використовується комбінація з трьох літер: U - неекранований, S - металева оплетка (тільки загальний екран), F - металізована стрічка (алюмінієва фольга). З цих літер формується абревіатура виду xx/xTP, що позначає тип загального екрану і тип екрану для окремих пар.

Екрановані кабелі категорій 5e, 6/6A та 8/8.1 найчастіше використовують конструкцію F/UTP (загальний екран з фольги), тоді як екрановані кабелі категорій 7/7A і 8.2 використовують конструкцію S/FTP (із загальною металевої опліткою і фольгою для кожної пари).

Таблиця 2.1 - Позначення для поширених типів кабелів витої пари

Загальноприйнята назва	Позначення по ISO/IEC 11801	Загальний екран	Екран для пар
UTP	U/UTP	немає	немає
STP, ScTP, PiMF	U/FTP	немає	фольга
FTP, STP, ScTP	F/UTP	фольга	немає
STP, ScTP	S/UTP	оплітка	немає
SFTP, SFTP, STP	SF/UTP	оплітка, фольга	немає
FFTP	F/FTP	фольга	фольга
SSTP, SFTP, STP	S/FTP	оплітка	фольга
SSTP, SFTP	SF/FTP	оплітка, фольга	фольга

Форма зовнішньої оболонки кабелю «вита пара» може бути різною. Частіше за інших застосовується кругла форма. Для прокладки під килимовим покриттям може використовуватися плоский кабель. У плоскому кабелі проводи також скручені в пари, однак пари не скручені навколо загальної осі. В результаті плоский кабель більш схильний до впливу перешкод.

Кабелі для зовнішньої прокладки обов'язково мають вологостійку оболонку з поліетилену, яка наноситься (як правило) другим шаром поверх звичайної, полівінілхлоридної. Крім цього, можливе заповнення пустот в кабелі водовідштовхувальним гелем і бронювання за допомогою гофрованої стрічки або сталевого дроту.

Існує декілька категорій кабелю «вита пара», які нумеруються від 1 до 8 і визначають ефективний частотний діапазон. Кабель вищої категорії зазвичай містить більше пар провідників і кожна пара має більше витків на одиницю довжини.

 

Таблиця 2.2 - Категорії кабелів витої пари

Категорія	Застосування	Примітки
1	Телефонні і старі модемні лінії	1 пара, використовується тільки для передачі голосу або даних за допомогою модему (не підходить для сучасних систем)
2	Старі термінали (такі як IBM 3270)	2 пари провідників, старий тип кабелю, підтримував передачу даних на швидкостях до 4 Мбіт/с, використовувався в мережах Token ring і Arcnet (не підходить для сучасних систем). Зараз іноді зустрічається в телефонних мережах.
3	10BASE-T, 100BASE-T4 Ethernet	4-парний кабель, використовується при побудові телефонних і локальних мереж 10BASE-T і token ring, підтримує швидкість передачі даних до 10 Мбіт/с або 100 Мбіт/с за технологією 100BASE-T4 на відстані не більше 100 метрів. Зараз використовується в основному для телефонних ліній.
4	token ring, зараз не використовується	кабель складається з 4-х скручених пар, використовувався в мережах token ring, 10BASE-T, 100BASE-T4, швидкість передачі даних не перевищує 16 Мбіт/с по одній парі.
5	Fast Ethernet (100BASE-TX), Gigabit Ethernet (1000BASE-T)	4-парний кабель, використовується при побудові локальних мереж 10BASE-T, 100BASE-TX і 1000BASE-T та для прокладки телефонних ліній, підтримує швидкість передачі даних до 100 Мбіт/с при використанні 2 пар і до 1000 Мбіт/с при використанні 4 пар.
5e	Fast Ethernet (100BASE-TX), Gigabit Ethernet (1000BASE-T)	4-парний кабель, вдосконалена категорія 5. Кабель категорії 5e є найпоширенішим і використовується для побудови комп'ютерних мереж. Іноді зустрічається двухпарний кабель категорії 5e. Переваги даного кабелю в нижчій собівартості і меншій товщині.
6	10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T)	неекранований кабель (UTP) складається з 4 пар провідників і здатний передавати дані на швидкості до 10 Гбіт/с на відстань до 55 м.
6A	10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T)	складається з 4 пар провідників і здатний передавати дані на швидкості до 10 Гбіт/с на відстань до 100 метрів. Кабель цієї категорії має або загальний екран (F/UTP), або екрани навколо кожної пари (U/FTP).
7/7A	10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T)	швидкість передачі даних до 10 Гбіт/с. Кабель цієї категорії має загальний екран і екрани навколо кожної пари (F/FTP або S/FTP).
8/8.1	100 Gigabit Ethernet (40GBASE-T)	в розробці. Повністю сумісний з кабелем категорії 6A. Швидкість передачі даних до 40 Гбіт/с при використанні стандартних конекторів 8P8C. Кабель цієї категорії має або загальний екран, або екрани навколо кожної пари (F/UTP або U/FTP).
8.2	100 Gigabit Ethernet (40GBASE-T)	в розробці. Повністю сумісний з кабелем категорії 7A. Швидкість передачі даних до 40 Гбіт/с при використанні стандартних конекторів 8P8C або GG45/ARJ45 і TERA. Кабель цієї категорії має загальний екран і екрани навколо кожної пари (F/FTP або S/FTP).

 

Існує два варіанти обжиму роз'єму на кабелі:

• для створення прямого кабелю - для з'єднання порту мережевої карти з комутатором або концентратором,
• для створення перехресного кабелю, що має інвертовану розводку контактів роз'єму для з'єднання безпосередньо двох мережевих плат, встановлених в комп'ютери, а також для з'єднання деяких старих моделей концентраторів або комутаторів.

   

Рисунок 2.2 – Прямий обжим по стандарту TIA/EIA-568A

    

Рисунок 2.3 – Прямий обжим по стандарту TIA/EIA-568B

Перехресний кабель призначений для з'єднання однотипного обладнання (наприклад, комп'ютер-комп'ютер). Однак більшість сучасних мережевих пристроїв здатні автоматично визначити метод обжиму кабелю і підлаштуватися під нього (Auto MDI/MDI-X), і перехресний кабель сьогодні втратив свою актуальність.

    

Рисунок 2.4 – Перехресний обжим для швидкостей до 100 Мбіт/с

    

Рисунок 2.5 – Перехресний обжим для швидкостей до 1000 Мбіт/с

 

2.1.4. Волоконно-оптичний кабель

Оптичне волокно - нитка з оптично прозорого матеріалу (скло, пластик), яка використовується для перенесення світла всередині себе за допомогою повного внутрішнього відбивання.

Кабелі на основі оптичних волокон використовуються в волоконно-оптичного зв'язку, що дозволяє передавати інформацію на великі відстані з більш високою швидкістю передачі даних, ніж в електронних засобах зв'язку. У ряді випадків вони також використовуються при створенні датчиків.

Скляні оптичні волокна виготовляються з кварцового скла, але для дальнього інфрачервоного діапазону можуть використовуватися інші матеріали, такі як фторцирконат, фторалюмінат і халькогенідне скло.

В даний час розвивається застосування пластикових оптичних волокон. Сердечник в такому волокні виготовляють з поліметилметакрилату (PMMA), а оболонку з фторованих PMMA (фторполімерів).

Оптичне волокно, як правило, має круглий переріз і складається з двох частин - серцевини і оболонки. Для забезпечення повного внутрішнього відбивання абсолютний показник заломлення серцевини трохи вищий показника заломлення оболонки. Серцевина виготовляється з чистого матеріалу (скла або пластика) і має діаметр 9 мкм (для одномодового волокна), 50 або 62,5 мкм (для багатомодового волокна). Оболонка має діаметр 125 мкм і складається з матеріалу з легуючими добавками, що змінюють показник заломлення. Наприклад, якщо показник заломлення оболонки дорівнює 1,474, то показник заломлення серцевини - 1,479. Промінь світла, спрямований в серцевину, буде поширюватися по ній, багаторазово відбиваючись від оболонки.

Оптичні волокна, що використовуються в телекомунікаціях, як правило, мають діаметр 125±1 мікрон. Діаметр серцевини може відрізнятися в залежності від типу волокна і національних стандартів.

Оптичне волокно може бути одномодовим і багатомодовим.

Рисунок 2.6 – Одномодове та багатомодове волокно

Діаметр серцевини одномодових волокон становить від 7 до 10 мікрон. Завдяки малому діаметру серцевини оптичне випромінювання поширюється по волокну в одній (основній, фундаментальній) моді і, як результат, відсутня міжмодова дисперсія.

Багатомодові волокна відрізняються від одномодових діаметром серцевини, який становить 50 мікрон в європейському стандарті і 62.5 мікрон в північноамериканському і японському стандартах. Через великий діаметр серцевини по багатомодовому волокну поширюється кілька мод випромінювання - кожна під своїм кутом, через що імпульс світла отримує дисперсійні спотворення.

Багатомодові волокна поділяються на ступінчасті і градієнтні. У ступінчастих волокнах показник заломлення від оболонки до серцевини змінюється стрибкоподібно. В градієнтних волокнах ця зміна відбувається інакше - показник заломлення серцевини плавно зростає від краю до центру.

Оптико-волоконні кабелі розрізняють:

• за матеріалом волокна:

-     GOF-кабель (скляні волокна);
-     POF-кабель (пластикові волокна);

• по місцю монтажу:

-     для зовнішнього монтажу (в грунт, на повітрі, під водою);
-     для внутрішнього монтажу (всередині дата-центрів);

• за умовами прокладки:

-     для підвісу (кабель з кевларом або тросом);
-     для підвісу на опорах ЛЕП (кабель із захистом від блискавок);
-     для укладання в грунт (кабель з бронею із залізних волокон);
-     для прокладки в кабельній каналізації (кабель з бронею з гофрованого металу);
-     для прокладки під водою (багатошаровий кабель).

 

2.2. Безпровідні середовища передачі даних

Безпровідна комп’ютерна мережа - мережа, заснована на безпровідному (без використання кабельної проводки) принципі, що повністю відповідає стандартам для звичайних провідних мереж (наприклад, Ethernet). В якості носія інформації в таких мережах можуть виступати радіохвилі НВЧ-діапазону.

Існує два основних напрямки застосування безпровідних комп'ютерних мереж:

• Робота в замкнутому просторі (офіс, виставковий зал і т.п.);
• З'єднання віддалених локальних мереж (або віддалених сегментів локальної мережі).

Для організації безпровідної мережі в замкнутому просторі застосовуються передавачі зі всенаправленими антенами.

Для з'єднання віддалених локальних мереж (або віддалених сегментів локальної мережі) використовується обладнання з спрямованими антенами, що дозволяє збільшити дальність зв'язку до 20 км (а при використанні спеціальних підсилювачів і великій висоті розміщення антен - до 50 км). Якщо безпровідна мережа використовується для об'єднання сегментів локальної мережі, віддалених на великі відстані, антени, як правило, розміщуються за межами приміщення і на великій висоті.

На даний час існує дуже багато безпровідних технологій, найчастіше відомих користувачам за їх маркетинговими назвами, такими як Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Кожна технологія має певні характеристики, які визначають її область застосування.

Таблиця 2.3 - Порівняльна характеристика безпровідних середовищ передачі даних

Технологія	Стандарт	Швидкість передачі даних	Радіус дії	Частоти
Інфрачервоний канал зв’язку	IrDA	9,6 – 115,5 Кбіт/с до 15 Мбіт/с	5 – 50 см до 10 м	Інфрачервоне випромінювання
NFC	ISO 14443	до 340 Кбіт/с	до 20 см	13,56 МГц
Bluetooth 1.2	802.15.1	до 1 Мбіт/с	до 10 м	2,4 ГГц
Bluetooth 2.1	802.15.3	до 2,1 Мбіт/с	до 100 м	2,4 ГГц
Bluetooth 3.0	802.11	3 – 24 Мбіт/с	до 100 м	2,4 ГГц
Bluetooth 4.1		до 1 Мбіт/с	до 100 м	2,4 ГГц
Wi-Fi	802.11b	до 11 Мбіт/с	до 300 м	2,4 ГГц
	802.11g	до 54 Мбіт/с	до 300 м	2,4 ГГц
	802.11n	до 300 (600) Мбіт/с	до 300 м	2,4 – 2,5 або 5 ГГц
	802.11ac	до 1 Гбіт/с	до 300 м	5 ГГц
Super Wi-Fi	802.22	до 22 Мбіт/с	10 – 100 км
WiMax	802.16d	до 75 Мбіт/с	25 – 80 км	1,5 – 11 ГГц
	802.16e	до 40 Мбіт/с	1 – 5 км	2,3 – 13,6 ГГц
WiMax 2	802.16m	до 1 Гбіт/с	120 – 150 км	до 11 ГГц

 

2.2.1. Інфрачервоний канал зв’язку

InfraRed Data Association - IrDA, ІЧ-порт, інфрачервоний порт - група стандартів, що описує протоколи фізичного і логічного рівня передачі даних з використанням інфрачервоного діапазону світлових хвиль в якості середовища передачі.

Є різновидом оптичної лінії зв'язку ближнього радіусу дії.

Була особливо популярна в кінці 1990-х початку 2000-х років. В даний час практично витіснена більш сучасними аналогами, такими як WiFi і Bluetooth.

Основні причини відмови від IrDA були:

• Ускладнення складання корпусів пристроїв, в яких монтувалось ІЧ-прозоре вікно.
• Обмежена дальність дії і вимоги прямої видимості пари приймач-передавач.
• Відносно низька швидкість передачі даних перших реалізацій стандарту. У наступних ревізіях стандарту цей недолік виправили: швидкісні можливості трохи перевищують, наприклад, можливості найпоширенішою на сьогоднішній момент версії протоколу Bluetooth (специфікація 4.0). Однак широкого поширення швидкісні варіанти IrDA отримати вже не встигли.

Апаратна реалізація, як правило, являє собою пару з випромінювача, у вигляді інфрачервоного світлодіода, і приймача, у вигляді фотодіода розташованих на кожній зі сторін лінії зв'язку. Наявність і передавача і приймача на кожній зі сторін є необхідною для використання протоколів двосторонньої передачі даних.

У ряді випадків, наприклад при використанні в пультах дистанційного керування побутовою технікою, одна зі сторін може бути оснащена тільки передавачем, а інша тільки приймачем.

Іноді пристрої оснащують кількома приймачами, що дозволяє одночасно підтримувати зв'язок з кількома пристроями. Використання при цьому одного передавача можливо завдяки тому, що протоколи логічного рівня вимагають лише незначного зворотного трафіку для забезпечення гарантованої доставки даних.

Наявність декількох передавачів зустрічається набагато рідше.

Більшість оптичних сенсорів, які використовуються в фото і відео камерах, мають діапазон чутливості набагато ширший видимої частини спектру. Завдяки цьому працюючий інфрачервоний передавач можна побачити на екрані або фотознімку у вигляді яскравої плями.

 

2.2.2. Технологія NFC

Near field communication, NFC - технологія безпровідної передачі даних малого радіусу дії, яка дає можливість обміну даними між пристроями, що знаходяться на відстані близько 10 сантиметрів; анонсована в 2004 р

Ця технологія - розширення стандарту безконтактних карт (ISO 14443), яке об'єднує інтерфейс смарт-карти і зчитувача в єдиний пристрій. Пристрій NFC може підтримувати зв'язок з існуючими смарт-картами, зі зчитувачами стандарту ISO 14443, з іншими пристроями NFC і, таким чином, - сумісно з існуючою інфраструктурою безконтактних карт, вже використовується в громадському транспорті і платіжних системах. NFC націлена перш за все на використання в цифрових мобільних пристроях.

NFC - це безпровідна короткодистанційна технологія, яка працює на відстані не більше 20 сантиметрів. NFC працює на частоті 13,56 МГц. NFC завжди включає ініціатор і ціль; ініціатор активно генерує радіочастотне поле, яке може впливати на пасивну ціль. Також можливий NFC-зв'язок між двома пристроями за умови, що обидва пристрої увімкнено.

Завдяки компактним розмірам і низькому споживанню енергії NFC можна використовувати в невеликих пристроях. У смартфонах антена часто кріпиться на задній стороні гаджета, під кришкою.

Так само, як і в стандарті ISO 14443, в NFC зв'язок підтримується за допомогою індукції магнітного поля, де дві рамкові антени розташовуються в межах ближнього поля один одного, ефективно формуючи трансформатор з повітряним сердечником.

Підтримувана швидкість передачі даних: 85, 170, або 340 Кбіт/с.

Існують два режими:

• Пасивний режим зв'язку: пристрій Ініціатор забезпечує несуче поле, а цільовий пристрій відповідає за допомогою модулювання наявного поля.
• Активний режим зв'язку: і Ініціатор, і Цільовий пристрій взаємодіють шляхом почергового створення своїх власних полів. Пристрій дезактивує своє радіочастотне поле в той час, коли він очікує даних. У цьому режимі в обох пристроях повинно бути електроживлення.

Пристрої NFC в змозі одночасно і отримувати, і передавати дані. Таким чином, вони можуть контролювати радіочастотне поле і виявляти протиріччя, якщо отриманий сигнал не відповідає переданому.

 

2.2.3. Технологія Bluetooth

Bluetooth - специфікація безпровідних персональних мереж. Bluetooth забезпечує обмін інформацією між такими пристроями, як персональні комп'ютери, мобільні телефони, принтери, цифрові фотоапарати, мишки, клавіатури, джойстики, навушники, гарнітури на надійній, безкоштовній, повсюдно доступній радіочастоті для ближнього зв'язку.

Слово Bluetooth - переклад на англійську мову датського слова «Blåtand» («Синьозубий»). Так прозвали колись короля вікінгів Харальда I Синезубого, що жив в Данії близько тисячі років тому. Прізвисько це король отримав за темний передній зуб. Харальд I правил в X столітті Данією і частиною Норвегії і об'єднав ворогуючі датські племена в єдине королівство. Мається на увазі, що Bluetooth робить те ж саме з протоколами зв'язку, об'єднуючи їх в один універсальний стандарт.

Логотип Bluetooth є поєднанням двох нордичних («скандинавських») рун: Хагалаз молодшого футарка ( ) і Беркана ( ), звукові значення яких відповідають ініціалами Харальда I Синезубого - h і b.

Специфікація Bluetooth була розроблена групою Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), яка була заснована в 1998 році. До неї увійшли компанії Ericsson, IBM, Intel, Toshiba і Nokia.

Принцип дії заснований на використанні радіохвиль. Радіозв'язок Bluetooth здійснюється в ISM-діапазоні, який використовується в різних побутових приладах і безпровідних мережах (діапазон 2,4-2,4835 ГГц). У Bluetooth застосовується метод розширення спектра зі стрибкоподібною перебудовою частоти (FHSS). Метод FHSS простий в реалізації, забезпечує стійкість до широкосмугових перешкод, а обладнання недороге.

Відповідно до алгоритму FHSS, в Bluetooth несуча частота сигналу стрибкоподібно змінюється 1600 разів в секунду. Таким чином, якщо поруч працюють кілька пар приймач-передавач, то вони не заважають один одному. Цей алгоритм є також складовою частиною системи захисту конфіденційності інформації, що передається: перехід відбувається по псевдовипадковому алгоритму і визначається окремо для кожного з'єднання.

Протокол Bluetooth підтримує не тільки з'єднання «точка-точка», а й з'єднання «точка-мультиточка».

Bluetooth SIG затвердила специфікацію Bluetooth 4.0 30 червня 2010 року. Протокол Bluetooth з низьким енергоспоживанням призначений, перш за все, для мініатюрних електронних датчиків (використовуються в спортивному взутті, тренажерах, мініатюрних сенсорах, що розміщуються на тілі пацієнтів і т.д.). Низький рівень споживання енергії досягається за рахунок використання особливого алгоритму роботи. Передавач включається тільки на час відправки даних, що забезпечує можливість роботи від однієї батарейки типу CR2032 протягом декількох років. Стандарт надає швидкість передачі даних в 1 Мбіт/с при розмірі пакета даних 8-27 байт.

16-17 червня 2016 року Bluetooth SIG представила специфікацію Bluetooth 5.0. Зміни торкнулися в основному режиму з низьким споживанням і швидкісного режиму. Радіус дії збільшений в 4 рази, швидкість збільшена в 2 рази.

 

2.2.4. Технологія Wi-Fi

Wi-Fi - торгова марка Wi-Fi Alliance для безпровідних комп'ютерних мереж на базі стандарту IEEE 802.11. Під абревіатурою Wi-Fi в даний час розвивається ціле сімейство стандартів передачі цифрових потоків даних по радіоканалах.

Будь-яке обладнання, що відповідає стандарту IEEE 802.11, може бути протестовано в Wi-Fi Alliance і отримати відповідний сертифікат і право нанесення логотипу Wi-Fi.

Термін «Wi-Fi» спочатку був придуманий як гра слів для залучення уваги споживача «натяком» на Hi-Fi (High Fidelity - висока точність). Незважаючи на те, що спочатку в деяких прес-релізах фігурувало словосполучення «Wireless Fidelity» («безпровідна точність»), на даний момент від такого формулювання відмовилися, і термін «Wi-Fi» ніяк не розшифровується.

Зазвичай схема Wi-Fi мережі містить не менше однієї точки доступу і не менше одного клієнта. Також можливе підключення двох клієнтів в режимі точка-точка (Ad-hoc), коли точка доступу не використовується, а клієнти з'єднуються за допомогою мережевих адаптерів «безпосередньо». Точка доступу передає свій ідентифікатор мережі (SSID) за допомогою спеціальних сигнальних пакетів на швидкості 0,1 Мбіт/с кожні 100 мс. Тому 0,1 Мбіт/с - найменша швидкість передачі даних для Wi-Fi. Знаючи SSID мережі, клієнт може з'ясувати, чи можливе підключення до даної точки доступу. При попаданні в зону дії двох точок доступу з ідентичними SSID приймач може вибирати між ними на підставі даних про рівень сигналу. Стандарт Wi-Fi дає клієнтові повну свободу при виборі критеріїв для з'єднання.

IEEE 802.11 - набір стандартів зв'язку для комунікації через безпровідній локальній мережевій зоні частотних діапазонів 0,9; 2,4; 3,6; 5 і 60 ГГц.

На даний час найбільного поширення досяг стандарт IEEE 802.11n, який був затверджений в 2009 році.

Стандарт 802.11n підвищує швидкість передачі даних практично вчетверо в порівнянні з пристроями стандартів 802.11g (максимальна швидкість яких дорівнює 54 Мбіт/с), за умови використання в режимі 802.11n з іншими пристроями 802.11n. Теоретично 802.11n здатний забезпечити швидкість передачі даних до 600 Мбіт/с, використовуючи передачу даних одразу за допомогою чотирьох антен. З однією антеною - до 150 Мбіт/с.

Пристрої 802.11n працюють в діапазонах 2,4 або 5,0 ГГц.

IEEE 802.11ac - це новий стандарт сімейства 802.11 для мереж Wi-Fi на частотах 5-6 ГГц. Пристрої, які працюють за цим стандартом, забезпечують швидкість передачі даних більше 1 Гбіт/с. За версією компанії Broadcom, даний стандарт відноситься до мереж нового покоління 5.5G. Прийняття 802.11ac як стандарту відбулося в січні 2014 року.

Першим мобільним пристроєм з підтримкою даного стандарту став HTC ONE.

WEP (Wired Equivalent Privacy) – алгоритм для забезпечення безпеки мереж Wi-Fi. Використовується для забезпечення конфіденційності та захисту даних, що передаються авторизованих користувачів бездротової мережі від прослуховування. В даний час дана технологія є застарілою, так як її злом може бути здійснений лише за кілька хвилин. Тим не менш, вона продовжує широко використовуватися. Для безпеки в мережах Wi-Fi рекомендується використовувати WPA.

WPA і WPA2 (Wi-Fi Protected Access) - являє собою оновлену програму сертифікації безпровідного зв'язку. Технологія WPA прийшла на заміну технології захисту безпровідної Wi-Fi мережі WEP. Плюсами WPA є посилена безпека даних і посилений контроль доступу до безпровідних мереж.

В 2011 році Інститут інженерів з електротехніки та електроніки - IEEE випустив офіційну версію стандарту IEEE 802.22 - Super Wi-Fi. Системи та пристрої, що підтримують цей стандарт, дозволять передавати дані на швидкості до 22 Мб/с в радіусі 100 км від найближчого передавача.

 

2.2.5. Технологія WiMAX

WiMAX - телекомунікаційна технологія, розроблена з метою надання універсального безпровідного зв'язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від робочих станцій і портативних комп'ютерів до мобільних телефонів). Заснована на стандарті IEEE 802.16, який також називають Wireless MAN.

Розробники стандарту шукали оптимальні рішення як для фіксованого, так і для мобільного застосування, але поєднати всі вимоги в рамках одного стандарту не вдалося. Хоча ряд базових вимог збігається, націленість технологій на різні ринкові ніші привела до створення двох окремих версій стандарту. Кожна із специфікацій WiMAX визначає свої робочі діапазони частот, пропускну здатність, потужність випромінювання, методи передачі і доступу, способи кодування і модуляції сигналу, принципи повторного використання радіочастот та інші показники. А тому WiMAX-системи, засновані на версіях стандарту IEEE 802.16 e і d, практично несумісні.

802.16d (фіксований WiMAX). Специфікація затверджена в 2004 році. Підтримується фіксований доступ в зонах з наявністю або відсутністю прямої видимості. Користувальницькі пристрої являють собою стаціонарні модеми. У більшості країн під цю технологію відведені діапазони 3,5 і 5 ГГц.

802.16e (мобільний WiMAX). Специфікація затверджена в 2005 році. Це - новий виток розвитку технології фіксованого доступу. Оптимізована для підтримки мобільних користувачів. Планові частотні діапазони для мереж Mobile WiMAX такі: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. У світі реалізовані кілька пілотних проектів. Конкурентами 802.16e є всі мобільні технології третього покоління (наприклад, EV-DO, HSDPA).

Основна відмінність двох технологій полягає в тому, що фіксований WiMAX дозволяє обслуговувати тільки «статичних» абонентів, а мобільний орієнтований на роботу з користувачами, що пересуваються зі швидкістю до 150 км/год. В окремому випадку мобільний WiMAX може застосовуватися і для обслуговування фіксованих користувачів.

У загальному вигляді WiMAX мережі складаються з наступних основних частин: базових і абонентських станцій, а також обладнання, що зв'язує базові станції між собою, з постачальником сервісів та з Інтернетом.

Для з'єднання базової станції з абонентською використовується високочастотний діапазон радіохвиль від 1,5 до 11 ГГц. В ідеальних умовах швидкість обміну даними може досягати 70 Мбіт/с, при цьому не потрібно забезпечення прямої видимості між базовою станцією і приймачем.

Між базовими станціями встановлюються з'єднання (прямої видимості), що використовують діапазон частот від 10 до 66 ГГц, швидкість обміну даними може досягати 140 Мбіт/c. При цьому, принаймні одна базова станція підключається до мережі провайдера з використанням класичних провідних з'єднань.

Структура мереж сімейства стандартів IEEE 802.16 має схожість з традиційними GSM мережами (базові станції діють на відстанях до десятків кілометрів, для їх встановлення не обов'язково будувати вежі - допускається встановлення на дахах будинків при дотриманні умови прямої видимості між станціями).

В жовтні 2010 року було затверджено стандарт IEEE 802.16m, відомий як WiMAX 2. Він дозволить підвищити пропускну здатність безпровідних мереж в кілька разів. Так, стаціонарне обладнання в мережах нового покоління зможе приймати дані на швидкості до 1 Гбіт/с, а мобільні пристрої та портативні комп'ютери - до 100 Мбіт/с. При цьому збережеться зворотна сумісність з існуючим устаткуванням WiMAX.

Стандарт WiMAX 2 повинен прийти на зміну нинішньому WiMAX (802.16e) і стати гідним конкурентом LTE. Його підтримує альянс комп'ютерних фірм, у числі яких Intel, Motorola та Samsung.

 

2.2.6. Мережі стільникового зв’язку

Стільниковий зв'язок - один з видів мобільного радіозв'язку, в основі якого лежить мережа. Ключова особливість полягає в тому, що загальна зона покриття ділиться на комірки (соти, стільники), що визначаються зонами покриття окремих базових станцій. Стільники частково перекриваються і разом утворюють мережу. На ідеальній (рівній і без забудови) поверхні зона покриття однієї базової станції являє собою коло, тому складена з них мережа має вигляд соти з шестикутними комірками.

Основні складові мережі - це мобільні телефони і базові станції, які зазвичай розташовують на дахах будинків і вишках. Телефон і станція підтримують постійний радіоконтакт, періодично обмінюючись пакетами. Зв'язок телефону зі станцією може йти по аналоговому протоколу або по цифровому (CDMA, GSM, UMTS). Якщо телефон виходить з поля дії базової станції (або якість радіосигналу погіршується), він налагоджує зв'язок з іншою.

GSM (Global System for Mobile Communications) - глобальний стандарт цифрового мобільного стільникового зв'язку, з поділом каналів за часом і частотою. Розроблено під егідою Європейського інституту стандартизації електрозв'язку (ETSI) наприкінці 1980-х років.

GSM на сьогоднішній день є найбільш поширеним стандартом зв'язку. За даними асоціації GSM (GSMA) на даний стандарт припадає 82% світового ринку мобільного зв'язку, 29% населення земної кулі використовує глобальні технології GSM. У GSMA в даний час входять оператори більш ніж 210 країн і територій.

WAP - протокол створений спеціально для мереж GSM, де потрібно встановлювати зв'язок портативних пристроїв (мобільний телефон, КПК, пристрої двостороннього радіозв'язку, смартфони, комунікатори й інші термінали) з мережею Інтернет. За допомогою WAP користувач мобільного пристрою може завантажувати з мережі Інтернет будь-які цифрові дані.

GPRS – надбудова над технологією мобільного зв'язку GSM, що здійснює пакетну передачу даних. GPRS дозволяє користувачеві мережі стільникового зв'язку проводити обмін даними з іншими пристроями в мережі GSM і з зовнішніми мережами, у тому числі Інтернет. GPRS припускає тарифікацію за обсягом переданої/отриманої інформації, а не за часом, проведеним онлайн.

Максимальна швидкість передачі даних становить 171,2 кбіт/с.

EDGE (EGPRS) - цифрова технологія безпровідної передачі даних для мобільного зв'язку, яка функціонує як надбудова над 2G- і 2.5G-мережами. Ця технологія працює в GSM-мережах.

Швидкість передачі даних за технологією EDGE приблизно в 3 рази вища ніж для GPRS і становить 474 кбіт/с.

EV-DO - технологія передачі даних, яка використовується в мережах стільникового зв'язку стандарту CDMA.

1X EV-DO - це фаза розвитку стaндарту мобільного зв'язку CDMA2000 1x, і відноситься до другого покоління мобільного зв'язку. Швидкість передачі даних на основі даної технології становить 153 кбіт/с.

Швидкість передачі даних в EV-DO, залежно від поколінь (релізів) стандарту, досягає:

• Rel.0 – (CDMA2000 1x EV-DO rel.0) - 2,4 Мбіт/с
• Rev.A – (CDMA2000 1x EV-DO rev.A) - 3,1 Мбіт/с
• Rev.B – (CDMA2000 1x EV-DO rev.B) - 73,5 Мбіт/с
• Rev.C – 280 Мбіт/с
• Rev.D – 500 Мбіт/с

UMTS - технологія стільникового зв'язку, розроблена Європейським Інститутом Стандартів Телекомунікацій (ETSI) для впровадження 3G в Європі.

Починаючи з 2006 року на мережах UMTS повсюдно поширюється технологія високошвидкісної пакетної передачі даних від базової станції до мобільного терміналу HSDPA, яку прийнято відносити до мереж покоління 3,5G.

HSDPA підтримує швидкість передачі даних в режимі до 7,2 Мбіт/с.

HSPA - технологія безпровідного широкосмугового радіозв'язку, яка використовує пакетну передачу даних і є надбудовою до мобільних мереж WCDMA/UMTS. Технологія базується на двох попередніх стандартах: HSDPA, HSUPA.

Максимальна теоретична швидкість передачі даних за стандартом становить 14,4 Мбіт/с.

HSPA+ є еволюцією HSPA, в який додані більш складні модуляції і технологія MIMO (мультивхід/мультивихід). Дозволяє досягати швидкості завантаження до 42,2 Мбіт/с та віддачі до 5,76 Мбіт/с.

LTE (Long-Term Evolution) - стандарт безпровідної високошвидкісної передачі даних для мобільних пристроїв. Він заснований на GSM/EDGE та UMTS/HSPA мережевих технологіях, збільшуючи пропускну здатність і швидкість за рахунок використання іншого радіоінтерфейсу разом з поліпшенням ядра мережі.

LTE є природним оновленням як для операторів з мережею GSM/UMTS, так і для операторів з мережею CDMA2000. У різних країнах використовуються різні частоти і смуги для LTE, що робить можливим підключати до LTE мереж по всьому світу тільки багатодіапазонні телефони.

Хоча маркування 4G використовується стільниковими операторами і виробниками телефонів, LTE не задовольняє технічним вимогам, які консорціум 3GPP прийняв для нового покоління стільникового зв'язку, а також вимогам, які були спочатку встановлені Міжнародним союзом електрозв'язку.

Специфікація LTE дозволяє забезпечити швидкість завантаження до 326,4 Мбіт/с, швидкість віддачі до 172,8 Мбіт/с, а затримка в передачі даних може бути знижена до 5 мілісекунд. LTE підтримує смуги пропускання частот від 1,4 МГц до 20 МГц і підтримує як частотне розділення каналів, так і часове.