Оборудование WiFi с активной многолучевой ФАР компании Vivato (США) предназначено для построения сетей Wi-Fi большой площади. Площадь покрытия одной базовой станции Vivato может составлять несколько десятков квадратных километров.

Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации в России и во всем мире, о котором многие говорят как о беспроводной революции в области передачи информации [13,100,193], связано с такими их достоинствами, как:

- гибкость архитектуры, т. е. возможности динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени;

- высокая скорость передачи информации (1-10 Мбит/с и выше);

- быстрота проектирования и развертывания;

- высокая степень защиты от несанкционированного доступа;

- отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного или медного кабеля.

Отметим, что современные телекоммуникационные технологии базируются на совокупности научных, технических и технологических достижений во многих областях, от микроэлектроники и схемотехники до теории связи, вычислительной техники и современных методов организации производства. Теория Максвелла оставалась мало кому понятной абстракцией до ее подтверждения опытами Герца. Кодовое разделение каналов и связь посредством шумоподобных сигналов не вышли бы из стен лабораторий и сложнейших военных систем, если бы не массовое появление дешевых процессоров цифровой обработки сигнала. Интернет остался бы ARPAnetoM, если бы не лавиноподобное распространение персональных компьютеров и модемов. Сотовые телефоны и пейджеры, Wi-Fi-карты и цифровое телевидение никогда не увидели бы свет без интеграции успехов в самых разных областях - технических, законодательных, организационных, научных и т.д. Поэтому, описывая в настоящей монографии современные технологии беспроводных систем передачи информации (БСПИ), мы затронем не только вопросы теории передачи информации, принципов действия, архитектуры и методов анализа и проектирования беспроводных сетей, но и практическую реализацию аппаратуры беспроводных сетей. Кроме того, говоря о современных БСПИ, правомерно рассматривать как системы, изначально ориентированные на передачу данных (например, беспроводные локальные сети), так и телефонные системы (DECT, сотовая телефония), системы телевизионного и радиовещания и т. д.

В научно-технической литературе беспроводным технологиям уделяется огромное внимание. Регулярно проводятся специализированные международные конференции: International Symposium он Wireless Personal Multimedia Communication [214,215]; IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems [174]; International IFIP Networking Conference [209] и т.д.; имеется и целый ряд монографий по отдельным направлениям беспроводных сетей [9,14,93,125,131 133, 149,153,182,183,202].

Однако отсутствуют монографии, отечественные и зарубежные, которые описывали бы все современные и перспективные беспроводные сети, начиная с теоретических основ передачи информации, описания логической и физической структуры, методов проектирования до технической реализации беспроводных сетей передачи информации. В настоящей монографии делается попытка закрыть этот пробел.

В главе 1 монографии приведен обзор современных систем беспроводной связи. Рассмотрена классификация систем, приведены основные системы стандартов в этой области, включая модель взаимодействия открытых систем. Кратко рассматриваются основные методы доступа к среде в беспроводных сетях.

Глава 2 посвящена описанию технологий и архитектуры беспроводных сетей. Последовательно рассматриваются персональные беспроводные сети (IEEE 802.15.1 (Bluetooth) [65], IEEE 802.15.3, За и 4 [108]), локальные беспроводные сети передачи данных (IEEE 802.11 [105,106] и DECT [98]), региональные (стандарт широкополосного вещания IEEE 802.16), сотовые [101,102] и транкинговые сети, системы хщфрового теле- и радиовещания [104], спутниковые системы и оптические атмосферные каналы связи [20,50]. Изложена технология сверхширокополосной связи [103]. Весь материал представлен в исторической ретроспективе, что показывает как устойчиво сохраняющиеся тенденции, так и динамику, перспективы и основные направления развития систем беспроводной связи. Для ряда особо значимых беспроводных технологий приведены примеры аппаратной реализации устройств, описана их электронная компонентная база.

В главах 3-5 рассмотрены теоретико-информационные аспекты создания широкополосных беспроводных сетей. Приводятся основополагающие в теории информации теоремы Шеннона, Котельникова и Найквиста (глава 3). Рассмотрены методы сжатия и шифрования информации. Подробно описывается теория корректирующих кодов от простейших линейных и циклических кодов до последних модификаций низкоплотностных и турбокодов (глава 4). Рассматриваются основные системы модуляции и на их основе сигнально-кодовые конструкции для гауссова канала. В основу рассмотрения положен принцип обменных соотношений между скоростью передачи и помехоустойчивостью. Описаны сигнально-кодовые конструкции для каналов с межсимвольной интерференцией и переменных во времени каналов, построенных на основе ортогональной частотной модуляции (OFDM). Рассмотрены вопросы построения конструкций, методы передачи и приема, а также оценка качества каналов связи (глава 5).

Глава 6 посвящена описанию логической и физической структуры локальных беспроводных сетей, функционирующих под управлением протоколов IEEE 802.11, оценке их производительности. Рассматривается топологическая структура, методы кодирования, модуляция и защита информации в локальных сетях со стандар-

том IEEE 802.11, проведен сравнительный анализ стандартов IEEE 802.11а, Ь, g. Описьтаются аппаратура и фирмы-разработчики новейших типов чипсетов. Производительность локальной сети с протоколом IEEE 802.11 оценивается сначала для случая идеального канала, когда источниками потери производительности являются только коллизии станций, и высокой нагрузки на все станции (ситуации насыщения сети) [212]. В этом случае подробно исследуется эффективность двух механизмов передачи пакетов: механизма базового доступа и альтернативного механизма RTS-CTS. Анализируется влияние помех на производительность сети и эффективность механизма фрагментации пакетов; предлагается и изучается новый механизм отсрочки передачи [22,173,174,209]. Исследуется также эффективность работы такой сети в условиях таких популярных приложений, как передача широковещательных сообщений и сети типа Hot spot .

В главе 7 исследуется работа сетей городского и регионального масштаба, основой которых является протокол IEEE 802.11. Основными отличиями таких сетей от локальных являются скрытость оконечных станций друг от друга, что неизбежно приводит к высокой вероятности коллизий, а также высокая интенсивность помех. Разрабатываются аналитические и имитационные модели таких сетей в условиях распределенного управления, являющегося основным режимом работы протокола IEEE 802.11; исследуется эффективность механизма фрагментации пакетов в условиях городских и региональных сетей [21,24,25]. Особое внимание в главе (раздел 7.4) уделено оценке максимальной производительности, обеспечиваемой такими сетями при доступе в Интернет (т. е. при взаимодействии со стеком протоколов TCP/IP) [23,211]. Данные аналитические (а также экспериментальные - см. раздел 7.7) исследования привели к выводу о неэффективности распределенного управления в сетях городского и регионального масштаба и необходимости использования альтернативного централизованного режима, который подробно аналитически исследуется и оптимизируется (см. также [3,23,210,213]) в разделах 7.5 и 7.6. В частности, предлагается и исследуется обобщенная адаптивная динамическая стратегия отложенного опроса оконечных станций, позволяющая избежать потерь, связанных с бесполезным опросом станций, не имеющих готовых пакетов для передачи [214].

Раздел 7.7 посвящен экспериментальным исследованиям и оптимизации Московской городской сотовой сети Radionet, соты которой работают под управлением протокола IEEE 802.11. В этом разделе проведен анализ особенностей беспроводного трафика, проходящего через данную сеть, динамики изменения интенсивности помех и с учетом данных особенностей разработан метод оптимизации фрагментации пакетов [56,57]. Наконец, в заключительном разделе главы описывается и решается задача синтеза топологической структуры региональной сети, включающая оптимальное размещение базовых станций и прикрепление к ним локальных сетей абонентов при наличии ограничений на электромагнитную совместимость.

В главе 8 рассматривается перспективный стандарт региональных беспроводных сетей IEEE 802.16-2004. Приведено описание радиоинтерфейсов, методов модуляции и доступа к каналам, системы управления потоками, механизмов уровня управления доступом к каналу передачи (МАС-уровня) [107,109,110]. Рассматриваются особенности реализации аппаратуры и сетей стандарта IEEE 802.16.