АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ И РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВА ОБСЛУЖВАНИЯ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЯХ НЕЛИЦЕНЗИРУЕМОГО ДИАПАЗОНА

ANALYSIS OF PROBLEMS AND SOLUTIONS TO ENSURE QUALITY OF SERVICE IN WIRELESS NETWORKS OF THE UNLICENSED RANGE

Abai Kutumov

2nd year master’s student «RET», Academy of Logistics and Transport

Republic of Kazakhstan, Almaty

Aigul Orazymbetova

scientific adviser, Ph.D., Assoc., Academy of Logistics and Transport

Republic of Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

Беспроводные локальные сети становятся все более популярными из-за менее дорогостоящей сетевой инфраструктуры и гибкости подключения. С ростом требований беспроводных услуг, пользователи беспроводных сетей ожидают качество обслуживания (QoS - Quality of Service) и производительность, сопоставимую с тем, что доступно в фиксированных сетях. Поскольку WLAN работает в нелицензируемом диапазоне, существует проблема обеспечения QoS в WLAN сети из-за влияния различных беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне. В данной статье проведен анализ возможности обеспечения QoS для WLAN сетей с точки зрения этой упомянутой выше проблемы.

ABSTRACT

Wireless LANs are becoming more popular because of their less expensive network infrastructure and flexible connectivity.  With the growing demand for wireless services, wireless users expect Quality of Service (QoS) and performance comparable to those available on fixed networks.  Since the WLAN operates in the unlicensed range, there is a problem of ensuring QoS in the WLAN network due to the influence of various wireless technologies in the unlicensed range.  This article analyzes the possibility of providing QoS for WLAN networks in terms of this problem mentioned above.

Ключевые слова: локальные сети, беспроводные сети.

Keywords: local networks, wireless networks.

Существует большое количество нелицензированных беспроводных сетей, которые работают в общих частотных диапазонах. Многие из этих сетей реализованы в портативных и наручных устройствах. Такие нелицензированные беспроводные сети могут работать в одном и том же диапазоне частот или даже на одном канале внутри диапазона. Это ставит вопрос о возможности сосуществовать этим сетям в непосредственной близости. В этом разделе описывается проблема сосуществования, которая влияет на поддержку QoS в WLAN сетях.

Промышленные, научные и медицинские (ISM – Industrial, Scientific and Medical) радиодиапазоны представляют собой радиодиапазоны (части радиочастотного спектра), зарезервированные на международном уровне для использования в промышленных, научных и медицинских целях соответственно. Примеры приложений в этих диапазонах включают в себя радиочастотное технологическое отопление, микроволновые печи и медицинские диатермические машины. Мощные выбросы этих устройств могут создавать электромагнитные помехи и прерывать радиосвязь с использованием той же частоты. В общем, пользователи не имеют нормативной защиты от работы ISM-устройства. Эти полосы: 902-928 МГц, 2400-2483,5 МГц и 5725-5850 МГц (рисунок 1) (где U-NII – нелицензированная полоса национальной информационной инфраструктуры). Наиболее заметным является ISM-полоса 2,4 ГГц. Действительно, ISM-полоса 2,4 ГГц – это полоса частот, используемая многими устройствами в настоящее время, включая IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15.1 Bluetooth, IEEE 802.15.4 Zigbee.

Рисунок 1. ISM полоса

Низкая стоимость и открытое использование ISM-диапазона неизбежно приводит к серьезным интерференциям между различными продуктами, интегрированными с различными технологиями с использованием той же полосы частот. Кратко рассмотрим некоторые популярные беспроводные технологии, работающие в нелицензируемом диапазоне. Исследование этих беспроводных технологий является необходимым, так как взаимодействие между ними влияет на поддержку качества обслуживания в WLAN.

Bluetooth, также известный как стандарт IEEE 802.15.1, основан на беспроводной радиосистеме, предназначенной для близкодействующих и дешевых устройств. Этот диапазон приложений известен как беспроводная персональная сеть (WPAN – Wireless Personal Area Network). Bluetooth позволяет осуществлять передачу голоса и данных по радиоканалу на небольшие расстояния (10 - 100м) и соединять устройства при отсутствии прямой видимости. В Bluetooth определены две топологии подключения: пикосеть (piconet) и распределенная сеть (scatternet).

Scatternet представляет собой набор операционных Bluetooth-пикосетей, перекрывающихся во времени и пространстве. Две пикосети могут быть подключены, чтобы сформировать scatternet. Bluetooth-устройство может одновременно участвовать в нескольких пикосетях, что позволяет обеспечить возможность передачи информации за пределы зоны покрытия одной пикосети. Устройство в scatternet может быть подчиненным в нескольких пикосетях, но мастер только в одном из них.

Bluetooth работает на частотах от 2402 до 2480 МГц, или 2400 и 2483,5 МГц, включая защитные полосы шириной 2 МГц в нижней части и 3,5 МГц в верхней части. Bluetooth использует радиотехнологию, называемую частотным скачкообразным спектром. Bluetooth передает каждый пакет по одному из 79 назначенных каналов. Каждый канал имеет полосу пропускания 1 МГц. Он обычно выполняет 800 прыжков в секунду с включенной адаптивной скачкообразной перестройки частоты (AFH – Adaptive Frequency Hopping).

Zigbee представляет собой спецификацию на основе IEEE 802.15.4 для набора высокоуровневых протоколов связи, используемых для создания персональных сетей с устройствами небольшой маломощности, предназначенные для небольших проектов, которым требуются беспроводное соединение, малое энергопотребление аппаратной части и низкая скорость передачи данных. Низкое энергопотребление ограничивает дальность передачи до 10-100 метров прямой видимости в зависимости от мощности и характеристик окружающей среды. Устройства Zigbee могут передавать данные на большие расстояния, используя ячеистую сеть (mesh network) промежуточных устройств, чтобы достичь более отдаленных. Zigbee поддерживает скорость 250 кбит/с и лучше всего подходит для прерывистой передачи данных от датчика.

Сетевой уровень Zigbee поддерживает как звездообразную архитектуру сети, так и древовидную, а также общую ячеистую сеть. Устройства Zigbee разделяют на три вида: Zigbee Coordinator (ZC), Zigbee Router (ZR), Zigbee End Device (ZED).

Zigbee работает на 26 каналах, в том числе 1 – 10 каналы работают в ISMдиапазоне 915 МГц, каналы 11 – 26 в ISM-диапазоне 2,4 ГГц, которые имеют разнесение 5 МГц и полосу пропускания 2 МГц для каждого канала.

Wi-Fi (Wireless Fidelity) – это технология беспроводной локальной сети с устройствами, основанными на стандартах IEEE 802.11. Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Союза. Wi-Fi устройства могут подключаться к интернету через WLAN и беспроводную точку доступа (AP – Access Point). Следует отметить, что в данной работе термины Wi-Fi, WLAN или IEEE 802.11 используется с тем же значением. В стандарте IEEE 802.11 предусмотрены два типа базовых сетевых конфигураций:

- режим инфраструктуры (infrastructure mode), часто называемый «клиент/сервер». Станции взаимодействуют друг с другом через точку доступа (Access Point). Такая конфигурация носит название базового набора служб (Basic Service Set, BSS). Два или более BSS, образующих единую подсеть, формируют расширенный набор служб (Extended Service Set, ESS).

- режим Ad-hoc, часто называемый «точка – точка». Простая сеть, в которой связь между клиентами устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Такая конфигурация носит название независимого базового набора служб (Independent Basic Service Set, IBSS).

ВЫВОДЫ

На основе анализа интерференции беспроводных технологий в нелицензируемом диапазоне выявлен ряд проблем, которые влияют на обеспечение QoS в WLAN сети. Проведен сравнительный анализ решений для сосуществования Wi-Fi и Bluetooth, Wi-Fi и Zigbee для ослабления вредных влияния. Показано, что, хотя механизмы сосуществования используются для повышения производительности системы при наличии интерференции, не существует метода, который может быть использован для всех сценариев.

Список литературы:

1. Агафонов, Н. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, BlueTooth, Wi-Fi / Н. Агафонов // Беспроводные технологии 2. – 2006. – С. 10-15.
2. Анисимов, Д.В. Модель и алгоритмы управления параметрами канального уровня беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11, функционирующих в составе распределенных систем: дис. ...кан.тех.наук.: 05.12.13 / Анисимов Дмитрий Владимирович. – 2016.
3. Вишневский В.М. Модель системы поллинга для исследования широкополосных беспроводных сетей / В.М. Вишневский, Д.В. Лаконцев, О.В. Семенова, С.А. Шпилев // Автоматика и телемеханика. – 2006. – № 12. – С. 123 – 135.
4. Вишневский, В.М. Системы поллинга: теория и применение в широкополосных беспроводных сетях / В.М. Вишневский, О.М. Семенова // Техносфера. – 2007. – C. 312.
5. Ле, Ч.Д. EMATMM: Эффективный метод планирования трафика для механизма мультиопроса в высокоплотных WLAN / Ч.Д. Ле, О.А. Симонина // Современная наука: Актуальные проблемы теории и практики: Серия Естественные и технические Науки. – 2017. - № 7-8. – С. 17 – 26.
6. Ле, Ч.Д. Анализ использования определения значения TXOP в IEEE 802.11e / Ч.Д. Ле // Материалы 72 НТК СПбНТОРЭС. – СПб., 2017. – С. 223 – 224.