Диплом: Интеллектуальный дом и применение локальных сетей в структуре интелектуального дома
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра АиТСС
Курсовая работа
На тему
Интеллектуальный дом и применение локальных сетей в структуре
интеллектуального дома.
Выполнили:
Малявкин Г.А.
Кулешова И.И.
Кузьмин А.Н.
Мальцев И.А.
Иваникова Н.О.
Группа: АП0101
Москва 2004 г.
Содержание:
1) Интеллектуальный дом
1.1. Почему появилась необходимость в интеллектуальном здании
1.2. Основные составляющие интеллектуального дома
2) Компьютерные сети
2.1. Общие понятия
2.2. Проводные сети (Ethenet)
2.2.1. Топологии
-общая шина
-звезда
2.2.2. Компоненты сети
-концентратор и коммутатор
-кабели
-адаптеры
-серверы
2.2.3. Проводная сеть в умном доме
2.3. Беспроводные сети
2.3.1. Radio-Ethenet
2.3.2. GPRS
2.3.3. Bluetooth
2.3.4. Применение различных технологий в интеллектуальном здании
3) Схема организации управления интеллектуального здания
1) Интеллектуальный дом
1.1 Почему появилась необходимость в интеллектуальном здании
Любое здание Ц будь-то административное, производственное или жилое состоит
из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных
функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого
здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества,
выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее. Также
стремительно росли расходы на содержание обслуживающего персонала, ремонт и
обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации
больших административных и производственных комплексов.
Современное здание такого типа Ч это город в миниатюре. Фактически в нем
действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского
хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или
администратор, которые используют и обслуживают эту систему практически
круглосуточно. Хотя есть немало средств автоматики, которые сами справляются
с возложенными на них задачами, такими, как отопление, вентиляция,
поддержание микроклимата, освещение, пожарная сигнализация, дымоуничтожение,
контроль входа-выхода., но управление и обслуживание всех этих систем требует
наличие администрирующего персонала. Его обязанностью является контроль
работы этих подсистем и принятие мер в случае выхода их из строя. Но есть
ситуации, когда даже действия квалифицированного персонала могут оказаться
неэффективными. Это случаи возникновения угрозы зданию и находящимся в нем
людям, имеющие глобальный характер Ц пожар, землетрясение и другие стихийные
бедствия, террористические атаки. Здесь нужно принимать экстраординарные меры
в считанные доли секунды. Реакция и корректность действий людей в критической
ситуации может оказаться недостаточной.
Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в
прошлом проектировались как автономные. Такие системы, создававшиеся отдельно
для каждой функции и объединенные для произвольной части здания. В зданиях
устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью
сложности, какие были необходимы на текущий момент построения здания.
Дальнейшее расширение и модернизация данных систем были сложными и
дорогостоящими задачами из-за множества различных факторов.
Затраты на эксплуатацию такой системы слагаются из затрат на эксплуатацию
каждой автономной системы в отдельности, стоимости обучения персонала.
Стоимость эксплуатации этих систем высока Ч в силу их автономности каждая из
них поддерживается отдельно. Стоимость обучения персонала столь же высока,
поскольку операторы должны быть ознакомлены с эксплуатацией каждой автономной
системой.
Любой современный дом сегодня оснащается большим количеством инженерных
систем, каждая из которых выполняет свою функцию по созданию комфортной среды
обитания. Каждый день на Вас работают различные домашние инженерные системы.
Каким образом связать все воедино, заставив всю технику в доме работать
слаженно и безошибочно?
Система безопасности
- Система цифрового видеонаблюдения с возможностью одновременного наблюдения, просмотра, архивирования. Режим удаленного просмотра и управления через Интернет.
- Беспроводная пожарная и охранная сигнализация с возможностью обмена информацией через GSM модуль.
- Система контроля доступа в помещение (в том числе удаленное управление гаражными воротами).
- Внутренняя телефонная система, громкая связь внутри дома.
- Система спутникового, эфирного телевидения с возможностью просмотра в любой комнате.
- Система "Домашний кинотеатр".
- Система "Мультирум" аудио и видео (система "звук вокруг").
- Цифровой развлекательный комплекс, оцифровка видео, печать фотографий, создание личных цифровых фото- и видео- альбомов и т.д.
- Управление светом во всем доме, световые сцены и сценарии.
- Управление системой вентиляции и кондиционирования.
- Управление системой отопления.
- Управление сауной, бассейном.
- Установка локальной вычислительной сети в доме, сетевая печать, сетевые игры ( возможно использование беспроводных технологий).
- Выход в Интернет с любого компьютера в доме (в том числе с мобильного).
- Удаленное управление всеми системами дома через Интернет.
- "Домашний офис" с удаленным подключением к корпоративной сети рабочего офиса.
- Система бесперебойного электроснабжения
- Управление системой отопления, котлом водонагревателя
- Контроль протечек воды, газа.
- Система управления способна согласовывать работу инженерных систем, оценивая состояние сенсоров, датчиков, отрабатывая команды с пультов управления, привязываясь ко времени суток, временам года и т.п. При этом исключаются ситуации, когда домашнее оборудование, призванное решать специализированные проблемы, работает в режимах, взаимоисключающих друг друга.
1.2. Основные составляющие интеллектуального дома
Связь:- телефонная связь внутренняя (интерком) и локальные АТС
- телефонная связь внешняя проводная, радиорелейная, спутниковая
- интернет - телефония
- системы видеоконференций
- наземное и кабельное телевидение
- спутниковое телевидение
- домашнее видео
- домашний кинотеатр
- мульти- аудио и видео (multiroom)
- один пульт управления для всех систем
- локальная компьютерная сеть
- домашний офис
- широкополосный доступ в глобальную сеть (Интернет)
- пожарная сигнализация и система автоматического пожаротушения
- охранная сигнализация
- система контроля доступа
- система внешнего и внутреннего видеонаблюдения
- система управления паркингом
- система внутреннего оповещения (радиосеть)
- аварийный контроль инженерных систем
- система экологического контроля
- автоматическое наполнение ванн, бассейнов и накопительных резервуаров
- автономный и резервный нагрев воды
- предотвращение протечек водопровода и утечки газа
- управление ландшафтными водяными системами (фонтаны, водопады)
- управление температурой воды в ваннах и бассейнах (термостатирование)
- учет расхода и управление потреблением воды и/или газа.
- бесперебойное и гарантированное электроснабжение
- защита от поражения электрическим током людей и животных
- автоматизация управления электропитанием бытовых приборов
- управление качеством электропитания - мониторинг, стабилизация и фильтрация
- учет расхода и управление потреблением электроэнергии
- аварийное и дежурное освещение
- автоматизация управления светом
- гибкая настройка световых групп
- дистанционное и удаленное управление светом
- программирование световых сцен
- отопление, вентиляция, кондиционирование:
- автоматизация управления температурой воздуха
- контроль качества воздуха
- согласование работы различных климатических систем
- учет расхода и управление потреблением тепловой энергии
2.1. Общие понятия
[3][4]Компьютерная сеть Ц совокупность программно-технических средств, обеспечивающих обмен информацией между двумя и более пользователями, работающими на разных (автономных) компьютерах, соединенных между собой. Компьютерные сети создаются для того, чтобы дать возможность территориально разобщенным пользователям обмениваться информацией между собой, использовать одинаковые программы, общие информационные и аппаратные ресурсы. Под ресурсами понимаются данные, приложения (программы), различные периферийные устройства (принтеры, модемы, сканеры, жесткие и гибкие диски и т.д.). По некоторым оценкам, более половины действующих ЭВМ подключены к сетям. Использование компьютерных сетей имеет множество преимуществ: Снижение затрат за счет коллективного использования разнообразных баз данных и аппаратных средств; Стандартизация приложений Ц все пользователи работают на одном и том же ПО (программном обеспечении), лговорят на одном языке; Оперативность получения информации без отрыва от рабочих мест; Эффективное взаимодействие и планирование рабочего времени (проведении дискуссий, оперативных совещаний без отрыва от рабочих мест) Общими компонентами всех сетей являются: Серверы (server) Ц компьютеры, предоставляющие свои ресурсы сетевым пользователям; Клиенты (client), рабочие станции Ц компьютеры, осуществляющие доступ к сетевым ресурсам, предоставляемыми сервером (серверами); Среда (media) Ц средства передачи информации; Совместно используемые данные Ц файлы, передаваемые серверами по сети; Совместно используемые периферийные устройства. Сети появились в результате творческого сотрудничества специалистов вычислительной техники и техники связи. Вычислительные сети подразделяются на два вида: локальные и глобальные. Для создания единого информационного пространства, способного охватить всех пользователей предприятия и предоставления им информационно созданную в разное время и в разном программном обеспечении используют локальную вычислительную сеть (ЛВС). Под ЛВС понимают совместное подключение нескольких отдельных компьютерных рабочих мест (рабочих станций) к единому каналу передачи данных. Самая простая сеть (англ. Network) состоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем. Это позволяет им использовать данные совместно. Все сети (независимо от сложности) основываются именно на этом простом принципе. Рождение компьютерных сетей было вызвано практическими потребностями - иметь возможность для совместного использования данных. Понятие локальная вычислительная сеть (англ. LAN-Local Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связанны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными с этой ЛВС. Существует два основных типа сетей: одноранговые и сети на основе сервера. В одноранговой сети все компьютеры равноправны т.е. нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного (англ. dedicated) сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер; иначе говоря, нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать общедоступным по сети. На сегодняшний день одноранговые сети бесперспективны. Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли и клиентов, и серверов, может оказаться недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей используют выделенные серверы. Выделенным называется такой сервер, который функционирует только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. Существуют и комбинированные типы сетей, совмещающие лучшие качества одноранговых сетей и сетей на основе сервера. В производственной практики ЛВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Все ЛВС работают в одном стандарте, принятом для компьютерных сетей - в стандарте Open Systems Interconnection (OSI). Глобальные сети. В настоящее время в мире зарегистрировано более 200 глобальных сентей. Глобальные сети (как и локальные) состоят из компьютеров, соединенных каналами связи. Глобальные вычислительные сети (ГВС) всего мира объедены между собой с помощью Internet. Для работы в ГВС пользователю необходимо иметь соответствующее аппаратное и программное обеспечение. В простейшем случае из аппаратных средств нужно дополнительно установить модем, с помощью которого осуществляется связь по телефонной линии (например, из квартиры). Программное обеспечение делится на два класса:- программы-серверы, размещенные на том узле сети, который обслуживает компьютер пользователя;
- программы-клиенты, которые находятся на компьютере пользователя и пользуются услугами сервера.
- работа с распределенными базами данных,
- электронная почта,
- телеконференции,
- общение в реальном масштабе времени,
- пересылка файлов и т.д.
| Основная используемая топология | общая шина |
| Используемый провод | коаксиальный кабель 50 Ом, тонкий |
| Максимальная длина сегмента | 185 метров |
| Минимальное расстояние между точками подключения | 0,5 метра |
| Максимальное количество точек подключения к сегменту | 30 |
| Максимальное количество сегментов в сети | 5 |
1 - сетевая карта, установленная в компьютере 2 - Т-коннектор 3 - разъемы на концах кабеля 4 - терминатор | |
| Используемая топология | Общая шина |
| Используемый провод | Коаксиальный кабель толстый (так называемый "желтый") с волновым сопротивлением 50 Ом. |
| Максимальная длина сегмента (отрезок сети без повторителя, ограниченный терминаторами) | 500метров (1640 футов) |
| Минимальное расстояние между точками подключения | 2,5 метра (8,2 фута) |
| Максимальное количество точек подключения к сегменту | 100 |
| Максимальное количество сегментов сети | 5 |
| Устройства подключаются к сети посредством устанавливаемого на кабель трансивера (transceiver - MAU(Media Access Unit)). | |
| Максимальная длина трансиверного кабеля (длина кабеля между трансивером и устройством) | 25 метров |
-Звезда
рис. 3 Для построения сети с звездообразной архитектурой в центре сети необходинмо разместить концентратор(hub) или коммутатор(switch). Его основная функция - обеспечение связи между компьютерами, входящими в сеть. То есть все компьютеры, включая файл-сервер, не связываются непосредственно друг с другом, а присоединяются к концентратонру. Такая структура надежнее, поскольку в случае выхода из строя одной из рабончих станций все остальные сохраняют работоспособность. В сетях же с шинной топологией в случае повреждения кабеля хотя бы в одном месте происходит разнрыв единственного физического канала, необходимого для движения сигнала. Кроме того, сети с звездообразной топологией поддерживают технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, что позволяет увеличить пропускную способность сети в десятки и даже сотни раз (разумеется при использовании соответствующих сетевых адапнтеров и кабелей). 100 и 1000 Мбитные сети строятся по топологии "Звезда". 2.2.2. Компоненты сети -Концентратор и коммутатор Концентратор и коммутатор относятся к разным типам активного сетевого оборудования, которое используется для соединения устройств сети. Они отличаются способом передачи в сеть тех данных (трафика), которые к ним поступают. Термин концентратор иногда используется для обозначения любого сетевого устройства, которое служит для объединения всех ПК сети, но на самом деле концентратор - это многопортовый повторитель. Устройства этого типа просто передают (повторяют) всю информацию, которую они получают. То есть все устройства, подключенные к портам концентратора, получают одну и ту же информацию. Концентраторы используются для расширения сети. Однако чрезмерное увлечение концентраторами может привести к большому количеству ненужного трафика, который поступает на сетевые устройства. Ведь концентраторы передают трафик в сеть, не определяя реальный пункт назначения данных. ПК, которые получают пакеты данных, используют адреса назначения, имеющиеся в каждом пакете, для определения, им предназначен пакет или нет. В небольших сетях это не является проблемой, но даже в сетях среднего размера с интенсивным трафиком следует использовать коммутаторы, которые минимизируют количество необязательного трафика. Коммутаторы контролируют и управляют сетевым трафиком, анализируя адреса назначения каждого пакета. Коммутатор знает, какие устройства соединены с его портами, и направляет пакеты только на необходимые порты. Это дает возможность одновременно работать с несколькими портами, расширяя тем самым полосу пропускания. Таким образом, коммутация уменьшает количество лишнего трафика, который возникает, когда одна и та же информация передается всем портам. Коммутаторы и концентраторы часто используются в одной и той же сети; концентраторы расширяют сеть, увеличивая число портов, а коммутаторы разбивают сеть на небольшие менее перегруженные сегменты. В небольшой сети (до 20 рабочих мест) концентратор или группа концентраторов вполне могут справиться с сетевым трафиком. В этом случае концентратор просто служит для соединения всех пользователей сети. В сети большего размера (более 25 пользователей) может появиться необходимость использовать коммутаторы для разделения сети на сегменты, чтобы уменьшить количество необязательного трафика. Если Вы используете концентратор или коммутатор с индикаторами, показывающими степень загруженности сети, то, анализируя их показания, можно сделать определенные выводы. Так в том случае, если трафик постоянно велик, следует использовать коммутатор для разделения сети на сегменты. передняя панель задняя панель рис. 4 -Кабели Витая пара Кабель "Twisted Pair" - "Витая паpа", состоит из "паp" проводов, закрученных вокруг друг друга и одновременно закрученных вокруг других паp, в пределах одной оболочки. Каждая паpа состоит из провода, именуемого "Ring" и провода "Tip". ( Названия произошли из телефонии). Каждая паpа в оболочке имеет свой номер, таким образом, каждый провод можно идентифицировать как Ring1, Tip1, Ring2,Tip2,... . Дополнительно к нумерации проводов каждая паpа имеет свою уникальную цветовую схему. Кабель делится на категории: 3 категория - используется для передачи данных со скорость до 10Мбит в секунду (Mbps) включительно. Применяется в сетях 10Base-T. 5 категория - используется для передачи данных со скорость до 100 Мбит в секунду (Mbps) включительно. Применяется в сетях 100Base-TX и других, требующих такую скорость. Рис. 5 Коаксиальный кабель Коаксиальный кабель (от латинского co - совместно и axis - ось), представляет собой два соосных гибких металлических цилиндра, разделенных диэлектриком. Скорость передачи информации от 1 до 10 Мбит/с1- центральный провод (жила) 2- изолятор центрального провода 3- экранирующий проводник (экран) 4- внешний изолятор и защитная оболочка |
2.3. Беспроводные сети
2.3.1. Radio-Ethernet [6]Радиосистемы, использующие расширение спектра методом прямой последовательности (так называемые RadioEthernet) на сегодняшний день уже достаточно хорошо опробованы для связи локальных сетей, удаленных друг от друга на расстояния в десятки километров. Кроме того, эти системы позволяют строить сети типа точка-многоточка, которые описываются и характеризуются как сети микросотовой связи, в которых абоненты имеют фиксированное положение. Беспороводная сеть передачи данных состоит из базовых станций, увязанных между собой в единую инфраструктуру и соединенных с информационным центром Ц источником информации для потребителей, являющихся абонентами этой сети. Структура сети обеспечивает двунаправленный обмен информацией между абонентом и информационным центром (Internet провайдером) либо другим абонентом, подключенным к сети. Таким образом, имеется постоянная связь одного либо нескольких офисов с информационным центром либо другим офисом. Структура сохраняется даже при смене местоположения абонента, главное установить связь с сетью, что возможно из любой точки города. Рассмотрим характеристики микросотовой системы связи, использующей оборудование, присутствующее сегодня на рынке и имеющее скорость до 11Мбит/с. Наиболее распространены сегодня устройства, производимые компаниями Aironet Wireless Technology Inc., Lucent Technologies, BreezeCom. В ряду устройств, позволяющих построить систему передачи данных, есть как радиобриджи Ц устройства, подключаемые к компьютерам с помощью стандартных сетевых средств, так и радиокарты Ц предназначенные для использования как платы расширения стандартных персональных компьютеров. При этом система допускает использование в режиме базовых станций только радиобриджи, а в режиме клиента Ц и радиобриджи, и радиокарты. Базовая станция, как и в системах сотовой связи, устанавливается так, чтобы обеспечивать покрытие определенной зоны обслуживания. При этом применяются различные типы антенн Ц от простейших штыревых с круговой диаграммой направленности, до сложных систем секторных антенн, позволяющих изменять диаграмму направленности излучения в зависимости от потребностей. Каждый радиобридж, работающий в режиме базовой станции на скорости 2Мбит/с, позволяет обслуживать 10-15 абонентов, при этом средняя скорость работы каждого из абонентов будет не ниже 64Кбит/с. Увеличение количества абонентов допустимо, но приводит к деградации скоростных характеристик канала. Кроме того, в непосредственной близости, на одной крыше без применения специальных технических мер можно устанавливать до трех комплектов сотообразующего оборудования, а с применением этих мер Ц до шести. Таким образом, количество обслуживаемых абонентов одной базовой станцией может достигать 45 или даже 90. Взаимоувязка базовых станций между собой, а также привязка их к информационным ресурсам Ц поставщикам информации может осуществляться самыми различными способами, как традиционными оптоволоконными или проводными, так и радиосредствами. Применение самого быстродействующего оборудования, работающего со скоростью 11Мбит/с в сочетании с увеличением плотности расположения базовых станций позволит существенно увеличить количество абонентов и скорость доступа для каждого из них. Radio-Ethernet - это стандарт организации беспроводных коммуникаций на ограниченной территории в режиме локальной сети, т.е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передачи информации. Радиоканалы, согласно этому стандарту, могут быть организованы на основе технологий широкополосного сигнала (ШПС) по методу прямой последовательности (DSSS) или частотных скачков (FHSS) Радиомодули, реализующие технологию ШПС (DSSS и FHSS) функционируют в соответствии со стандартом IEEE 802.11 Ц Radio Ethernet в диапазоне частот 2,4 ГГц. В режиме FHSS весь диапазон 2,4 ГГц используется как одна широкая полоса (с 79 подканалами). В режиме DSSS этот же диапазон разбит на несколько широких DSSS-каналов, так что до трех таких каналов может использоваться независимо и одновременно на одной территории (дополнительные каналы определены в перехлест с основными тремя, чтобы иметь возможность отстроиться от помех, если они все же возникли). Номинальная скорость каждого канала 2 Мбит/с В режиме DSSS максимальная скорость передачи данных достигает 11 Мбит/с. В режиме FHSS скорость передачи данных не превышает 4 Мбит/с. Пропускная способность базовых станций может быть повышена в 3-6 раз за счет применения нескольких одновременно работающих устройств. Метод доступа к общему каналу - коллизионный, но, в отличие от обыкновенного кабельного Ethernet'а, имеется фаза предварительного резервирования канала, так что коллизии между абонентами допускаются только при резервировании (в процессе "соревнования" за занятие канала), а собственно передача данных начинается уже без возможности коллизий. Такой метод называется CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) и описан в стандарте 802.11 Системы ШПС или Spread Spectrum (распределенный спектр) первоначально разрабатывались как в США, так и в России, преимущественно для применения в военных целях для обеспечения повышенной защищенности от помех, а также достижения высокого уровня секретности при передаче сообщений. Принцип работы устройств ШПС состоит в "размазывании" радиосигнала в широкой полосе частот с использованием специальных алгоритмов распределения. Генерация ШПС осуществляется при помощи псевдослучайной последовательности (Pseudorandom Number, PN), задающей алгоритм распределения. Каждое приемное устройство для декодирования сообщения должно знать кодирующую последовательность. Устройства имеющие различные PN фактически не "слышат" друг друга. Поскольку мощность сигнала распределяется по широкой полосе, он оказывается "спрятанным" в шумах и по своим спектральным характеристикам также напоминает шум в радиоканале. Это обстоятельство и дало название методу - шумоподобные сигналы. В методе FHSS приемник и передатчик синхронно каждые несколько миллисекунд перестраиваются на различные несущие частоты в соответствии с алгоритмом, задаваемым псевдослучайной последовательностью. Лишь приемник, использующий ту же самую последовательность может принять сообщение. При этом предполагается, что другие системы работающие в том же частотном диапазоне используют иную последовательность и поэтому практически не мешают друг другу. Для тех случаев, когда два передатчика пытаются использовать ту же самую частоту одновременно, предусмотрен протокол разрешения столкновений по которому передатчик делает попытку повторно послать данные на следующей в последовательности частоте. В методе DHSS в передаваемый в радиоканале сигнал вносится значительная избыточность путем передачи каждого бита информации одновременно в нескольких (порядка 10) частотных каналах. Обратное сжатие в приемнике осуществляется при помощи коррелятора, использующего ту же самую кодовую последовательность. После коррелятора сигнал может быть подвергнут дополнительной узкополосной фильтрации, улучшающей отстройку от мешающих передатчиков. С повышением избыточности кодирования увеличивается соотношение сигнал/шум. Сравнивая методы широкополосной передачи, можно увидеть, что каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Метод DSSS позволяет достигать значительно большей производительности (до 11 Мбит/с) и, кроме того, обеспечивают большую устойчивость к узкополосным помехам (поскольку выбором поддиапазона для передачи часто удается отстроиться от помех) и большую дальность связи. Оборудование DSSS несколько сложнее и дороже FHSS. Продукция для FHSS выпускается значительно большим количеством компаний, она проще и дешевле, однако и пропускная способность ее ниже. Еще одно достоинство FHSS-устройств состоит в том, что они, в отличие от DSSS, могут сохранять работоспособность в условиях широкополосных помех - например, создаваемых DSSS-передатчиками; но это оборачивается тем, что сами они мешают обычным узкополосным устройствам. Сравнивая эти два метода, можно видеть, что вариант со скачками по частоте в общем случае обеспечивает лучшую избирательность по соседнему каналу. DSSS сигнал имеет меньшую мощность на заданной частоте, чем более узкополосный FHSS сигнал. Потенциально более низкое соотношение сигнал-шум в методе DSSS компенсируется высоким усилением в канале обработки сигнала. Системы с прямой последовательностью в состоянии принимать и осуществлять корреляционную обработку сигнала с мощностью ниже среднего уровня шумов в канале. Преимущества радиооборудования, выполненного по технологии Spread Spectrum очевидны: высокая скорость передачи информации - до 11 Мбит/cек на одно устройство малая интегральная мощность, обеспечивающая санитарную безопасность и малые помехи для других пользователей эфира высокая помехоустойчивость, обусловленная избыточностью данных в радиоканале качество связи, практически не зависящее от погодных условий возможность работы нескольких сетей в одной полосе частот с малым влиянием одной на другую высокая конфиденциальность передачи данных. 2.3.2. GPRS GPRS (General Packet Radio Service) [1]Ч технология пакетной передачи данных посредством сотовой связи. Суть услуги заключается в организации постоянного подключения через GPRS- телефон или GPRS модем к сети интернет. Для работы в Сети можно использовать компьютер, ноутбук или электронный органайзер (Palm Pilot, Psion, Cassiopea). При этом Вы сможете просматривать HTML-страницы, перекачивать файлы, работать с электронной почтой и любыми другими ресурсами Интернета.Чем привлекательна эта технология?
- GPRS предоставляет немедленный доступ к услугам, без необходимости дозваниваться к интернет-провайдеру.
- Пользователи GPRS получают доступ к Интернету в полном объеме, как при проводном соединении.
- Можно работать с WAP-сайтами непосредственно с телефонного аппарата GPRS.
- Оплачивается только объем посланной/полученной информации, а не эфирное время. До сих пор в сотовых сетях для передачи или приема данных абонентом занимался целый канал на время от установления соединения до его разрыва, которое оплачивалось вне зависимости от его загрузки.
- В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 Кбит/с Ч это более чем в 3 раза быстрее, чем режим работы проводных линий, и почти в 12 раз быстрее работы передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 кбит/с). Уже сегодня доступна скорость до 33 Кбит/с.
Передача данных: GPRS и GSM
В настоящее время передача данных по GSM каналам организована следующим образом: абоненту выделяется отдельный канал, используемый системой для передачи голоса, посредством модема, встроенного в мобильный терминал, происходит передача данных через этот канал, при этом в промежутках между передачей данных канал остается занятым. GPRS (General packet Radio Service) - это система, которая реализует и поддерживает протокол пакетной передачи информации в рамках сети сотовой связи GSM. При использовании системы GPRS информация собирается в пакеты и передается в эфир, они заполняют те "пустоты" (не используемые в данный момент голосовые каналы), которые всегда есть в промежутках между разговорами абонентов, а использование сразу нескольких голосовых каналов обеспечивает высокие скорости передачи данных. При этом этап установления соединения занимает несколько секунд. В этом и заключается принципиальное отличие режима пакетной передачи данных. В результате у абонента появляется возможность передавать данные, не занимая каналы в промежутках между передачей данных, более эффективно используются ресурсы сети.Что дает абоненту технология GPRS?
GPRS позволит ввести принципиально новые услуги, которые раньше не были доступны. Прежде всего это мобильный доступ к ресурсам Интернета с удовлетворяющей потребителя скоростью, мгновенным соединением и с очень выгодной системой тарификации. Например, при просмотре с помощью системы GPRS WEb-страницы в Интернете, мы можем изучать содержимое столько, сколько нам необходимо, поскольку платим только за принятую информацию и не платим за время нахождения в сети Интеренет (не передавая данные, мы не занимаем каналы сети). При введении повременной оплаты на фиксированных телефонных линиях, тарифы на доступ в Интернет с мобильного GPRS-телефона будут еще более конкурентоспособны. Технология GPRS позволит быстро передавать и получать большие объемы данных, видеоизображения, музыкальные файлы стандарта Mp-3 и другую мультимедийную информацию. Для тех абонентов, кто уже оценил удобство использования телефонов с WAP - броузером, внедрение технологии GPRS означает практически мгновенную загрузку WAP - страниц на экране телефона и более выгодную систему тарификации. Для корпоративных пользователей система GPRS может послужить отличным инструментом для обеспечения безопасного и быстрого доступа сотрудников к корпоративным сетям предприятий, к почтовым, информационным серверам, удаленным базам данных. При этом появится возможность получать доступ к корпоративным сетям даже если абонент находится в сети другого GSM оператора, с которым организован GPRS-роуминг. Технологии GPRS может применяться в системах телеметрии: устройство может быть все время подключено, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга может быть востребована службами охраны, банками для подключения банкоматов и в других областях, в том числе и промышленных.Принципы построения системы GPRS
На структурном уровне систему GPRS можно разделить на 2 части: подсистему базовых станций и ядро сети GPRS (GPRS Core Network). В подсистему базовых станций входят все контроллеры и базовые станции системы GSM, которые поддерживают пакетную передачу данных на программном и аппаратном уровне. Ядро сети GPRS включает в себя совершенно новые сетевые элементы, предназначенные для обработки пакетов данных и обеспечения связи с сетью Интернет. Основным сетевым элементом является пакетный коммутатор - SGSN (Serving GPRS Support Node). Данный сетевой элемент берет на себя все функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCp/Ip глобальной компьютерной сети Internet. Пакетный коммутатор призван разгрузить GSM коммутатор, обеспечивая обработку пакетной информации, оставляя обычному коммутатору лишь голосовой трафик. Вторым важным сетевым элементом является GPRS шлюз - GGSN (Gataway GPRS Support Node). Он обеспечивает связь системы GPRS с пакетными сетями передачи данных: Internet, Intranet, X.25 и др. GGSN содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения. Кроме упомянутых элементов в GPRS Core входят другие элементы: DNS (Сервер доменных имен), Charging Gateway (Шлюз для связи с системой тарификации), border Gateway (Пограничный шлюз) и другие вспомогательные элементы. Следует отметить широкие возможности масштабирования системы GPRS. При быстром увеличении количества абонентов, пользующихся услугой пакетной передачи данных возможно увеличение емкости системы GPRS за счет расширения или установки дополнительных пакетных коммутаторов (SGSN). При увеличении суммарного объема данных, передаваемых абонентами (при несущественном увеличении числа абонентов), возможна установка дополнительных GPRS - шлюзов, которые обеспечат большую суммарную пропускную способность всей системы, а также расширение системы базовых станций. Таким образом, наращивая систему GPRS, оператор сможет обеспечивать высокое качество услуг, основанных на пакетной передаче данных.Терминальное оборудование GPRS
Для того, чтобы использовать возможность передачи данных посредством системы GPRS, требуется специальные терминалы, поддерживающие работу в режиме GPRS. Стандартами определены 3-класса GPRS терминалов:- класс А - терминал позволяет осуществлять одновременно голосовое соединение и работу в режиме GPRS;
- класс В (сотовые телефоны) - терминал поддерживает и голосовое соединения и передачу данных в пакетном режиме (GPRS), но эти режимы используются не одновременно (во время передачи данных через GPRS абонент не может совершать и принимать голосовые звонки и наоборот);
- класс С - терминал обеспечивает только передачу данных в пакетном режиме. Наиболее вероятное исполнение - pCMCIA карта устанавливаемая в портативный компьютер - ноутбук.
Скорости передачи в системе GPRS
В сетях, поддерживающих GPRS, предусмотрен поэтапный путь наращивания скорости передачи данных; максимальная реальная скорость приема и передачи, которую на первом этапе сможет поддерживать система GPRS, равна 107 Кбит/с. Сегодня основные ограничения накладывают абонентские терминалы. Скорость приема и передачи информации, которую может обеспечить мобильный терминал, зависит от количества каналов, которые терминал поддерживает на прием и передачу. Один канал поддерживает передачу информации с максимальной скоростью 13.4 кбит/с. Таким образом, количество каналов, которые будет поддерживать конкретная модель терминала будет определять максимальные возможные скорости, на которых возможна передача и прием информации. Абонентские терминалы GPRS, предполагаемые к выпуску в ближайшее время, будут поддерживать от 2 до 4 каналов для приема информации и до 2 каналов для передачи, что позволяет получить максимальную скорость приема до 53,6 кбит/с и передачи до 26.8 кбит/с. В последующем ожидается появление моделей GPRS терминалов, поддерживающих большее количество каналов (до 7). При использовании системы пакетной передачи абонент получает и отправляет данные с переменной скоростью, которая определяется условиями распространения сигнала и наличием свободных каналов в пределах заданной соты. При этом динамическое выделение каналов производится исходя из приоритета голосовых каналов, т. е. система автоматически выделяет под пакетную передачу все каналы, не занятые передачей голоса. Таким образом, реальная скорость приема и передачи будет во многом зависеть от загруженности голосовых каналов в пределах каждой конкретной соты. Перспектива появления новых аппаратов с поддержкой большого количества каналов, а значит, работающих на максимально возможных скоростях передачи данных (до 115 Кбит/с), вызывает определенное беспокойство у некоторых специалистов. Дело в том, что потенциально устройства GPRS при работе на высоких частотах могут выходить за рамки максимально допустимого уровня радиационного излучения. Повторим еще раз, речь идет только о высоких скоростях обмена, поскольку, например, канал GPRS, работающий со скоростью 30-40 Кбит/с (а именно такая скорость нам светит в ближайшем будущем), излучает максимум 0.75 Вт. Это конечно больше, чем фактическое излучение терминала стандарта GSM, но в пределах нормы. Средний уровень мощности излучения еще ниже, поскольку передатчик работает только тогда, когда передаются данные, а в остальное время он выключен. При передаче файла из телефона в базовую станцию передатчик работает постоянно; при передаче текстовых сообщений или во время веб-браузинга он включается редко, что снижает мощность излучения до нескольких милливатт.Перспективы развития услуг на базе GPRS
Появление технология GPRS должно значительно ускорить развитие мобильной передачи данных во всех областях человеческой деятельности. Во многом это связано с появлением новых услуг, развитие которых было затруднено из-за низкой скорости и высокой стоимости передачи данных через голосовые каналы GSM. Технология GPRS позволит абонентам получать доступ в глобальную сеть из любой точки, где существует покрытие сети, при этом цена такой передачи будет чрезвычайно привлекательной, а при введении повременной оплаты на фиксированных телефонных линиях, тарифы на доступ в Интернет с мобильного GPRS-телефона будут еще более конкурентоспособны. Для корпоративных пользователей появление услуг на основе технологии GPRS будет означать реализацию давней мечты полностью мобильного офиса с доступом как в глобальную, так и в корпоративную сеть своей фирмы, с гарантией безопасного соединения. Практически исчезнет проблема доступа к корпоративной сети во время командировок, в том числе и зарубежных, поскольку GPRS-роуминг, организация которого планируется в ближайшее время, обеспечит безопасный, дешевый и высокоскоростной доступ к любому ресурсу корпоративной сети. Существуют идеи промышленного применения данной технологии для различных задач подвижного мониторинга и контроля состояния объектов. Не стоит забывать и о том, что GPRS является идеальным транспортом для WAP- приложений, практически все телефоны с поддержкой GPRS будут иметь встроенный WAP-броузер, что позволит их владельцам не только передавать данные, но и получать оперативную информацию с различных WAP-серверов.Перспективы пакетной передачи данных
Система GPRS является первым шагом на пути развития сетей беспроводной пакетной передачи данных. Первоначально услуги на основе GPRS будут предоставляться на ограниченной территории действия сотовой связи. В дальнейшем зона, где возможно использование технологии GPRS будет расти и, в результате, в ближайшем будущем услуги на основе GPRS будут предоставляться на всей территории действия сети сотовой связи. Также планируется увеличение скоростей приема и передачи информации за счет улучшения характеристик мобильных терминалов и инфраструктуры GPRS. Следующим шагом на пути развития сетей пакетной передачи данных будет внедрение технологии EDGE, которая позволит достичь скорости передачи информации до 385 Кбит/с, при этом базой для развертывания технологии EDGE частично будет служить система GPRS. Таким образом, будет плавно осуществлен переход от систем с коммутацией каналов к системам пакетной передачи данных, которые найдут свою конечную реализацию в системах передачи информации третьего поколения. При этом для абонента станет возможной скорость передачи до 2 Мбит/с.GPRS модемы для Ноутбуков, КПК и ПК
На сегодняшний день на рынке из наиболее доступных GPRS устройств для покупателей доступны 2 вида терминалов. Это, собственно говоря, телефоны, поддерживающие GPRS и GSM / GPRS карты. Для пользования услугами GPRS посредством сотового телефона, необходимо установить связь между телефоном и компьютером. Это можно сделать при помощи интерфейсного кабеля, инфракрасного порта или по беспроводному протоколу Bluetooth. Естественно, необходимо будет установить соответствующее програмное обеспечение, которое должно идти в комплекте с телефоном. Далее, нужно будет настроить само GPRS-соединение. Другой итересный и самый мобильный способ установления GPRS-соединения - это использование GPRS модемов. Это решение позволит создать настоящий мобильный офис в любой точке планеты, где бы Вы не находились (лишь бы там работала сотовая связь). Чтобы получить доступ к услугам GPRS, Вам необходимо вставить такую карту в Ваш ноутбук (кпк или компьютер) и установить идущее в комплекте програмное обеспечение. Кроме того, установив эту карту, Вы получите возможность использования всех функций мобильного телефона.GPRS модемы существуют в нескольких исполнениях:
- PCMCIA карта (Nokia D211; SonyEricsson GC75),
- Compact Flash / PCMCIA карта (Audiovox RTM-8000; EagleTec),
- GPRS устройства для USB порта (Billionton USB).
Nokia D211
Nokia D211 - многорежимная PCMCIA-радиокарта для ноутбуков, позволяющая получать доступ к сети через GPRS, HSCSD или беспроводную локальную сеть (w- lan). Постоянное сетевое соединение За пределами офиса вы сможете установить постоянное GPRS-соединение при помощи совместимого ноутбука. Вы сможете отправлять и получать сообщения по электронной почте, пользоваться интернетом и всеми услугами, которые доступны в вашей офисной сети. Вам не нужно откладывать работу до тех пор, пока вы доберетесь до офиса. Вы можете заниматься своими делами тогда, когда хотите. Быстро, просто и удобно, с постоянным сетевым соединением. Сеть может быть еще быстрее Вы можете установить связь с беспроводной локальной сетью со скоростью до 11 Мб/сек, при которой можно отправлять и получать файлы большого размера, читать сообщения электронной почты с приложениями, смотреть видео с веб- страниц или участвовать в видеоконференциях. Установив беспроводное сетевое соединение, вы сможете выполнять те же самые операции, что и в фиксированной сети вашего офиса или домашней ADSL. Беспроводной доступ к сети предоставляется сегодня в некоторых аэропортах, интернет-кафе, отелях, лыжных курортах и корпоративных офисах. Работа с SMS и факсимильными сообщениями при помощи ноутбука Nokia D211 обладает приложением для работы с текстовыми сообщениями, которое позволит вам посылать текстовые сообщения с вашего ноутбука. Вы также можете организовать SMS-чат с вашими коллегами и друзьями. Теперь вам не обязательно возвращаться в офис, чтобы отправить факс. Вы можете отправлять и получать факсы при помощи ноутбука где бы вы ни находились. 2.3.3. Bluetooth Судя по проекту стандарта беспроводных персональных сетей (Wireless Personal Area Network, WPAN), который первая рабочая группа комитета IEEE 802.15 разрабатывает на основе спецификаций Bluetooth, подобная сеть способна охватывать достаточно широкий спектр устройств. Помимо настольных и карманных персональных компьютеров, микрофонов и динамиков, наушников и сотовых телефонов, речь идет о принтерах, мониторах, пейджерах, сенсорных устройствах и даже средствах для считывания штрих-кодов. Без сомнения, со временем список типов поддерживаемого оборудования только расширится, однако даже на основании перечисленного можно заключить, что применение технологии Bluetooth домашней сетью не ограничится. Во-первых, десятиметровый радиус действия вполне достаточен для развертывания беспроводной локальной сети небольшого офиса. Во-вторых, возможность объединения персональных сетей (называемых также пикосетями) в разнесенные сети, хотя и накладывает определенные топологические ограничения, заметно расширяет территориальный охват. В-третьих, несколько производителей активно работают над расширением зоны покрытия беспроводной персональной сети по крайней мере на порядок, и первые результаты этой деятельности можно было увидеть на CeBIT 2001. Так, компания 3Com представила концентратор доступа Wireless Bluetooth LAN Access Point 1000, с помощью которого в беспроводные сети можно объединять устройства, находящиеся на удалении до 100 м на открытом пространстве и до 30 м в помещении. Аналогичную дальность передачи обеспечивает плата Bluetooth PC Card компании Toshiba и адаптер Gigaset B427 для порта USB производства Siemens. По данным производителей, скорость передачи данных при этом может доходить до 724 Кбит/с. Появление адаптеров для шины USB (а подобные устройства помимо Siemens представили 3Com, Sunderland и другие компании) обеспечивает возможность подключения к сети Bluetooth принтеров и сканеров.Рис7. Сервер и концентратор доступа для сетей Bluetooth производства Red-M. |
телефон Nokia с MP3-плеером, GPRS/CSD и MMS |
| датчик передвижения Siemens |
Контроллер X10 включает и выключает электроприборы через электросеть |
Как это работает
| сенсорная панель Siemens |